Une équipe issue d'un laboratoire rennais développe une batterie à électrolytes circulants organiques, non toxiques, non corrosifs, recyclables et biodégradables.
Le développement des énergies exploitant le vent, le soleil ou la mer, renouvelables mais par nature intermittentes, dépend de la disponibilité de solutions de stockage adaptées. Les batteries à électrolytes circulants - ces liquides conducteurs circulent au travers des électrodes - sont une voie prometteuse. Surtout si ces électrolytes sont eux aussi renouvelables. C'est ce que promet la jeune entreprise rennaise Kemwatt.
Didier Floner, chimiste, travaille depuis 1991 à l'université de Rennes sur les batteries, leurs électrodes et électrolytes... et plus particulièrement les batteries à flux, ou batteries à électrolytes circulants. Avec Florence Geneste, qui poursuit également des recherches sur ce sujet, ils mettent au point, au sein de l'Institut des sciences chimiques de Rennes, un type de batterie innovant, qui utilise des électrodes poreuses en feutre de graphite métallisé et, comme électrolytes, des molécules organiques biodégradables, dont l'impact environnemental sera négligeable.
Une batterie à électrolytes circulants comporte deux réservoirs d'électrolytes liquides reliés à une cellule électrochimique. Cette dernière est divisée en deux compartiments, séparés par une membrane semi-perméable permettant l'échange d'ions. Des pompes font circuler les électrolytes à travers les électrodes poreuses qui occupent ces compartiments. Pendant la charge, sous l'effet de la tension appliquée sur les électrodes, l'un des électrolytes cède des électrons, tandis que l'autre en capte. Au cours de la décharge, l'inverse se produit et engendre un courant électrique.
Or l'électrolyte circulant le plus utilisé aujourd'hui contient du vanadium, métal assez rare, dissous dans un milieu très corrosif. Le procédé pose des problèmes de sécurité et le recyclage des électrolytes est coûteux.
Les travaux de l'équipe rennaise explorent donc une nouvelle filière faisant appel à des électrolytes organiques nettement plus « propres » tout au long du cycle de vie. « Nous étudions des molécules biodégradables, ni corrosives ni toxiques, qui peuvent être produites à partir d'une matière première abondante, en une ou deux réactions chimiques simples et propres, assure Didier Floner. Des molécules qui ne représentent pas un risque pour l'homme ou la nature en cas d'accident. Et que l'on pourra recycler facilement. »
Matériaux peu onéreux
Alors que la puissance électrique délivrée par la cellule électrochimique dépend essentiellement de la surface des électrodes, l'énergie stockée par ce type de batterie ne dépend que de la quantité d'électrolytes disponible dans les réservoirs. En faisant appel à des matériaux organiques peu onéreux, la technologie de Kemwatt peut offrir des capacités élevées à peu de frais. En 2013, la Société d'accélération du transfert de technologies Ouest Valorisation, implantée en Bretagne, prend conscience du potentiel de ces travaux et finance la réalisation d'une preuve de concept et d'une étude de faisabilité. Elle trouve en la personne de François Huber l'entrepreneur qu'elle cherche. Cet ingénieur cumulant quinze ans d'expérience de gestion de projets industriels devient le président de l'entreprise créée en 2014, avec Didier Floner et Florence Geneste pour conseillers scientifiques.
Kemwatt construit, en 2016, un prototype de 10 kW. L'année suivante, l'entreprise réalise un démonstrateur « conteneurisé », donc aisément transportable, d'une puissance comparable. En avril dernier, elle a remporté le Concours mondial de l'innovation du ministère de l'Économie et des Finances, ce qui devrait lui permettre d'obtenir des fonds pour réaliser un modèle de 100 kW. L'heure est aujourd'hui aux tests et aux formalités de certification. La production en série devrait démarrer en 2020.
« De par leur conception, nos batteries nécessitent très peu d'entretien et pourront être installées n'importe où, au pied des éoliennes ou des panneaux photovoltaïques dont elles stockeront l'énergie, estime François Huber. Leur durée de vie sera de quinze à vingt ans, comparable à celle de ces installations. »
L’Homme est la Nature prenant conscience d’elle-même
Il y a quelques années, après avoir écrit les dernières lignes d’un long ouvrage, laNouvelle Géographie universelle,j’exprimais le vœu de pouvoir un jour étudier l’Homme dans la succession des âges comme je l’avais observé dans les diverses contrées du globe et d’établir les conclusions sociologiques auxquelles j’avais été conduit. Je dressai le plan d’un nouveau livre où seraient exposées les conditions du sol, du climat, de toute l’ambiance dans lesquelles les événements de l’histoire se sont accomplis, où se montrerait l’accord des Hommes et de la Terre, où les agissements des peuples s’expliqueraient, de cause à effet, par leur harmonie avec l’évolution de la planète.
Ce livre est celui que je présente actuellement au lecteur.
Certes, je savais d’avance que nulle recherche ne me ferait découvrir cette loi d’un progrès humain dont le mirage séduisant s’agite sans cesse à notre horizon, et qui nous fuit et se dissipe pour se reformer encore. Apparus comme un point dans l’infini de l’espace, ne connaissant rien de nos origines ni de nos destinées, ignorant même si nous appartenons à une espèce animale unique ou si plusieurs humanités sont nées successivement pour s’éteindre etresurgir encore, nous aurions mauvaise grâce à formuler des règles d’évolution à l’inconnu, à battre le brouillard, dans l’espérance de lui donner une forme précise et définitive.
Non, mais nous pouvons du moins, dans cette avenue des siècles que les trouvailles des archéologues prolongent constamment en ce qui fut la nuit du passé, nous pouvons reconnaître le lien intime qui rattache la succession des faits humains à l’action des forces telluriques : il nous est permis de poursuivre dans le temps chaque période de la vie des peuples correspondant au changement des milieux, d’observer l’action combinée de la Nature et de l’homme lui-même, réagissant sur la Terre qui l’a formé.
L’émotion que l’on éprouve à contempler tous les paysages de la planète dans leur variété sans fin et dans l’harmonie que leur donne l’action des forces ethniques toujours en mouvement, cette même douceur des choses, on la ressent à voir la procession des hommes sous leurs vêtements de fortune ou d’infortune, mais tous également, en état de vibration harmonique avec la Terre qui les porte et les nourrit, le ciel qui les éclaire et les associe aux énergies du cosmos. Et, de même que la surface des contrées nous déroule sans fin des sites de beauté que nous admirons de toute la puissance de l’être, de même le cours de l’histoire nous montre dans la succession des événements des scènes étonnantes de grandeur que l’on s’ennoblit à étudier et à connaître. La géographie historique concentre en drames incomparables, en réalisations splendides, tout ce que l’imagination peut évoquer.
À notre époque de crise aiguë, où la société se trouve si profondément ébranlée, où le remous d’évolution devient si rapide que l’homme, pris de vertige, cherche un nouveau point d’appui pour la direction de sa vie, l’étude de l’histoire est d’un intérêt d’autant plus précieux que son domaine incessamment accru offre une série d’exemples plus riches et plus variés. La succession des âges devient pour nous une grande école dont les enseignements se classent devant notre esprit et même finissent par se grouper en lois fondamentales.
La première catégorie d’événements que constate l’historien nous montre comment, par l’effet d’un développement inégal chez les individus et dans les sociétés, toutes les collectivités humaines, àl’exception des peuplades restées dans le naturisme primitif, se dédoublent pour ainsi dire en classes ou en castes, non seulement différentes, mais opposées d’intérêts et de tendances, même franchement ennemies dans toutes les périodes de crise. Tel est, sous mille formes, l’ensemble de faits que l’on observe en toutes les contrées de l’univers, avec l’infinie diversité que déterminent les sites, les climats et l’écheveau de plus en plus entremêlé des événements.
Le deuxième fait collectif, conséquence nécessaire du dédoublement, des corps sociaux, est que l’équilibre rompu d’individu à individu, de classe à classe, se balance constamment autour de son axe de repos : le viol de la justice crie toujours vengeance. De là, d’incessantes oscillations. Ceux qui commandent cherchent à rester les maîtres, tandis que les asservis font effort pour reconquérir la liberté, puis, entraînés par l’énergie de leur élan, tentent de reconstituer le pouvoir à leur profit. Ainsi des guerres civiles, compliquées de guerres étrangères, d’écrasements et de destructions, se succèdent ou un enchevêtrement continu, aboutissant diversement, suivant la poussée respective des éléments en lutte. Ou bien les opprimés se soumettent, ayant épuisé leur force de résistance : ils meurent lentement et s’éteignent, n’ayant plus l’initiative qui fait la vie ; ou bien c’est la revendication des hommes libres qui l’emporte, et, dans le chaos des événements, on peut discerner de véritables révolutions, c’est-à-dire des changements de régime politique, économique et social dus à la compréhension plus nette des conditions du milieu et à l’énergie des initiatives individuelles.
Un troisième groupe de faits, se rattachant à l’étude de l’homme dans tous les âges et tous les pays, nous atteste que nulle évolution dans l’existence des peuples ne peut être créée si ce n’est par l’effort individuel. C’est dans la personne humaine, élément primaire de la société, qu’il faut chercher le choc impulsif du milieu, destiné à se traduire en actions volontaires pour répandre les idées et participer aux œuvres qui modifieront l’allure des nations. L’équilibre des sociétés n’est instable que par la gêne imposée aux individus dans leur franche expansion. La société libre s’établit par la liberté fournie dans son développement complet à chaque personne humaine, première cellule fondamentale, qui s’agrège ensuite et s’associe comme il lui plaît aux autres cellules de la changeante humanité.C’est en proportion directe de cette liberté et de ce développement initial de l’individu que les sociétés gagnent en valeur et en noblesse : c’est de l’homme que naît la volonté créatrice qui construit et reconstruit le monde.
La « lutte des classes », la recherche de l’équilibre et la décision souveraine de l’individu, tels sont les trois ordres de faits que nous révèle l’étude de lagéographie socialeet qui, dans le chaos des choses, se montrent assez constants pour qu’on puisse leur donner le nom de « lois ». C’est déjà beaucoup de les connaître et de pouvoir diriger d’après elles sa propre conduite et sa part d’action dans la gérance commune de la société, en harmonie avec les influences du milieu, connues et scrutées désormais. C’est l’observation de la Terre qui nous explique les événements de l’Histoire, et celle-ci nous ramène à son tour vers une étude plus approfondie de la planète, vers une solidarité plus consciente de notre individu, à la fois si petit et si grand, avec l’immense univers.
L'accord sur les unités électriques fut négocié lors du premier Congrès international d'électricité de 1881, à Paris. Ce fut un véritable évènement dans le monde scientifique et technique. On trouvera ci-dessous trois documents sur ce Congrès : tout d'abord la présentation des résultats du Congrès dans la grande revue de vulgarisation scientifique de l'époque,La Nature, puis le récit très personnel de la négociation par le chef de la délégation française au Congrès, Eleuthère Mascart, et enfin le discours de clôture du Congrès par son président, le chimiste français Jean-Baptiste Dumas, qui se termine par cette prédiction :
"Cet effort restera comme une date mémorable dans l'histoire ; au milieu du mouvement de la politique et des agitations de l'esprit humain, il deviendra l'expression caractéristique de notre époque. Le dix-neuvième siècle sera le siècle de l'électricité !"
Le compte-rendu du Congrès dansLa Nature
"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 puisque la seconde a été levée immédiatement en signe de deuil causé par la mort du président Garfield, pour épuiser son ordre du jour [...]. Nous voulons seulement aujourd'hui faire connaître les décisions importantes prises par le Congrès à propos desunités électriques. Ces résolutions prises par laCommission des Unitésont été adoptées àl'unanimitépar la 1ère section et par l'assemblée plénière :
1° On adoptera pour les unités électriques les unités fondamentales : centimètre, gramme-masse, seconde (C.G.S). 2° Les unités pratiques, l'ohm, le volt, conserveront leur définition actuelle : 109pour l'ohm et 108pour le volt. 3° L'unité de résistance (Ohm) sera représentée 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, par de nouvelles expériences, pour la pratique, la longueur de la colonne de mercure de 1 millimètre carré de section à la température de zéro degré centigrade, qui représentera la valeur de l'ohm. Ces deux propositions sont faites pour satisfaire à la fois à deux exigences légitimes ; la première, relative à l'adoption de l'ohm, qui représente un multiple décimal de l'unité absolue de résistance dans le système CGS, pour avoir un système homogène, sans introduire de coefficient de réduction dans les calculs, la seconde pour avoir unétalon constantqui représente cette unité de résistance. Ce n'est donc pas, comme on l'a dit quelque part, l'unité Siemens qui est adoptée par le Congrès, mais bien l'ohm, défini en fonction du centimètre, du gramme-masse et de la seconde. La commission internationale aura pour mission de déterminer ultérieurement la longueur d'une colonne de mercure d'un millimètre carré de section qui représentel'étalon pratiquede l'ohm. 5° On appelleampèrele courant produit par un ohm dans un volt. C'est l'unité de courant qui avait porté jusqu'ici en Angleterre le nom de weber. Ce changement a été nécessité par ce fait qu'il existait déjà en Allemagne une unité de courant établie par Weber lui-même, portant son nom et dont la valeur était dix fois plus petite que celle du weber anglais. Le choix du nomampèrefait disparaître la confusion. 6° On appellecoulombla quantité d'électricité définie par la condition qu'un ampère donne un coulomb par seconde. Le coulomb correspond à l'ancienne unité de quantité établie par le Comité de l'Association britannique et à laquelle il avait aussi donné le nom de weber. 7° On appellefarad, la capacité définie par la condition qu'un coulomb dans un farad donne un volt. La valeur du farad du Congrès reste ainsi la même que celle du farad défini autrefois par l'Association britannique. Voici donc une grande question vidée et un magnifique résultat acquis. L'honneur en revient à la France, qui a su prendre l'initiative du Congrès, et aux savants étrangers qui ont répondu à son appel"
On remarquera dans ce compte-rendu l'insistance avec laquelle le journaliste distingue les trois définitions différentes : les unitésabsolues(CGS), les unitéspratiques(puissances de 10 des unités théoriques) et enfin lesétalons. L'équilibre était à trouver entre théoriciens et praticiens pour la définition de l'ohm, là se trouvait le point épineux.
Paul Langevin présente Mascart et son récit de la négociation
Dans sa notice sur Mascart, auquel il succéda comme professeur au Collège de France, le physicien Paul Langevin rapporte le témoignage donné par Mascart sur ce Congrès :
"[...] Entre sa sortie de l'École Normale, et sa nomination, à trente-cinq ans, comme professeur au Collège de France, Mascart s'était occupé surtout de recherches d'optique. [...Son] enseignement au Collège le conduisit dès 1872 à s'occuper d'électricité de manière plus complète qu'il n'avait fait jusque là, plus complète surtout que personne ne le faisait en France à cette époque. Il y avait en effet, dans ce domaine, un retard considérable de la Science française. Peut-être parce que l'optique avait absorbé l'attention des continuateurs de Fresnel, les progrès considérables accomplis en électricité par Faraday, Gauss, Weber, W. Thomson et Maxwell étaient restés chez nous à peu près inconnus. Ampère n'y avait pas fait souche autant que Fresnel. Les notions fondamentales de champ électrique et de potentiel n'étaient comprises ici que de quelques mathématiciens, les idées de Faraday sur les lignes de force et le rôle du diélectrique, reprises et développées par Maxwell, les conceptions géniales à peine formulées encore de ce même Maxwell sur la théorie électromagnétique de la lumière, les travaux de Gauss, Weber, W. Thomson sur les unités électriques et les méthodes de mesure étaient à peu près complètement ignorés.
Mascart prit à tâche, conformément au rôle que doit avoir l'enseignement du Collège de France, d'acclimater ici ces choses essentielles. Ce ne fut d'ailleurs pas sans rencontrer quelques oppositions : il me rappelait en riant comment un vulgarisateur célèbre de l'époque l'avait surnommé 'Chevalier du potentiel' et il n'est pas nécessaire de remonter bien loin pour retrouver des traces de l'effroi qu'inspirait aux élèves, et même aux professeurs, le mot mystérieux de potentiel. [...]
L'électrostatique fut une révélation pour lui et il s'y adonna avec enthousiasme, faisant son livre de chevet des fameuxReprints of Papersde W. Thomson (Lord Kelvin) ; après avoir publié quelques travaux théoriques et expérimentaux dans cette direction, il réunit sous une première forme son enseignement dans sonTraité d'Électricité Statiqueen deux volumes (1876) que devait bientôt compléter l'importantTraité d'Électricité et de Magnétismeécrit de 1882 à 1886 avec la collaboration de son ami M. Joubert, et dont il publia seul une deuxième édition en 1896-97.Ce Traité, comme celui d'optique est l'ouvrage le plus important et le plus étendu que nous possédions sur le sujet. [...]
En 1872, au moment même où Mascart se donnait la tâche de renouveler l'enseignement de l'électricité en France, un ouvrier belge, Zénobe Gramme, créait la machine dynamoélectrique, par une intuition remarquable d'où est sortie toute l'industrie électrique moderne.
Machine de Gramme.La Nature, 1881 (2èmesemestre), p. 52
Mascart s'intéressa l'un des premiers à l'engin nouveau, montra comment son fonctionnement, mal compris tout d'abord, relevait des principes généraux de la physique, et dirigea l'effort colossal, qui permit, en moins de trente ans, de passer, dans la construction des machines dynamos, de l'empirisme primitif à la précision absolue de l'électrotechnique actuelle. Il développa, en effet, dès 1877, la théorie de ces machines en les rattachant aux lois de l'énergétique, et vérifia ses prévisions dans un travail expérimental fait avec l'aide de M. Angot, son collaborateur, puis son successeur au Bureau central météorologique.
Mascart se trouva conduit ainsi à prendre une part importante à l'organisation de la section occupée par les nouvelles machines dans l'Exposition de 1878 qui apprit au grand public la naissance de l'industrie électrique. Le rapide développement de cette industrie lui fit consacrer à Paris en 1881 une Exposition particulière qui resta célèbre tant par la nouveauté de son objet que par l'importance des décisions que prit le Congrès de savants et d'ingénieurs réunis à cette occasion.
Il était en effet devenu indispensable d'arriver à une entente internationale sur le choix des unités électriques. Cette question, extrêmement complexe déjà au point de vue purement théorique, se trouvait rendue plus difficile encore par les exigences quotidiennes de la pratique. Il était nécessaire que les unités choisies pour les plus fondamentales des multiples grandeurs introduites par la science électrique fussent représentées par des étalons faciles à reproduire et définis de manière rigoureuse. Deux tendances s'opposaient : les praticiens voulaient se contenter d'unités arbitraires, définies aussi simplement que possible et sans lien nécessaire avec les systèmes théoriques d'unités tels que les avaient édifiés Gauss, Thomson et Weber. Pour la résistance électrique, en particulier, le célèbre ingénieur allemand Werner Siemens voulait faire accepter l'unité qui porte son nom, définie arbitrairement comme la résistance d'une colonne de mercure d'un mètre de longueur et d'un millimètre carré de section, facile à retrouver par conséquent, mais sans relation simple avec les unités théoriques.
Les savants, au contraire, et Mascart l'un des premiers, voyaient un gros danger à séparer si vite l'industrie naissante de la science qui l'avait créée et devait longtemps encore être son meilleur guide. Leur faire parler de suite des langues différentes, empêcher leur entente, c'était décréter l'empirisme en électrotechnique et compromettre l'évolution merveilleuse à laquelle notre génération vient d'assister. [...] Il y travailla tout d'abord en contribuant de manière importante à créer et à faire accepter le système d'unités électriques universellement en usage aujourd'hui, le système du volt, de l'ampère et de l'ohm. Il a conté lui-même, de sa manière vive et colorée, ses souvenirs de cette période historique dans une allocution prononcée en 1902 [...] :
« 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 (4h30) 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 Solferino 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, 6h30 ». « 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 10h30. 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 ».
[...] Le même souci d'assurer la pénétration mutuelle de la science électrique et de ses applications fit jouer à Mascart le rôle le plus actif dans la création d'un Laboratoire central, dépendant de la Société internationale des électriciens, chargé du contrôle des appareils de mesure industriels, chargé de surveiller et de maintenir l'emploi effectif des unités adoptées, sorte de lien vivant entre la science et la technique. Peu à peu, le développement de ce laboratoire amena la création d'une école annexe, devenue l'Ecole supérieure d'Électricité, où se forment des ingénieurs sous la direction des savants."
Les progrès en matière d'appareils de mesure sont rapides. Appareils du constructeur Chauvin et Arnoux en 1895. (La Nature, 1895, 2èmesemestre, p. 27)
Le discours de clôture du Congrès par Jean-Baptiste Dumas
(publié dans la revueL'année scientifique et industrielle, 1882, p. 471-475) [Voirle discoursen mode pdf image explorable]
- La Nature : "Le Congrès international des électriciens", 1881, 2èmesemestre, p. 282, et autres articles dans les années 1881, 1884, 1889, 1893, 1895. La revue est accessible en ligne sur le site du Conservatoire national des arts et métiers (tables des matières en mode texte) : - Paul Langevin, "L'œuvre de E. Mascart",La Revue du mois, 1909, p. 385-406.
"Le système absolu [des trois unités mécaniques] pouvait être considéré comme incontournable tant que l'on pouvait espérer déduire l'électricité de la mécanique. Ce temps est révolu."
Arnold Sommerfeld (1935)
Le système CGS (centimètre, gramme, seconde) adopté par la British Association en 1873, puis par les premiers congrès internationaux d'électricité, repose sur le choix de trois grandeurs dites fondamentales : longueur, masse et temps. Ces trois grandeurs permettent en effet d'exprimer toutes les grandeurs de la mécanique.
Il est possible d'exprimer également les grandeurs électriques en fonction des grandeurs de la mécanique, et donc dans les unités du système CGS. Mais suivant la relation choisie pour relier l'électricité à la mécanique (loi de Coulomb, loi d'Ampère ou autre loi), on obtient des systèmes différents. Deux systèmes CGS distincts ont été utilisés pour l'électricité depuis les années 1860.
Le système CGS électrostatique
Ce système s'appuie sur la loi de Coulomb qui exprime la force F s'exerçant entre deux charges q et q' situées à une distance r, dans le vide : F = A qq'/r2
Le système électrostatique est défini par le choix d'une constante de proportionnalité A sans dimension et de valeur 1.
Loi de Coulomb dans le système électrostatique : F = qq'/r2
La relation fondamentale de la dynamique permet d'exprimer la dimension de la force en fonction des dimensions des grandeurs fondamentales de la mécanique : [F] = M L T-2
On trouve alors, à partir de la loi de Coulomb, la dimension de la charge électrique[Qes]dans ce système : [Qes] = L3/2M1/2T-1
Le système CGS électromagnétique
Ce système s'appuie sur la loi de force d'Ampère (loi de Laplace + loi de Biot et Savart) entre deux éléments de courant (ou, de manière équivalente, sur la force de Coulomb entre deux pôles magnétiques). Prenons le cas particulier où les deux éléments de courants dl et dl' sont parallèles et perpendiculaires à la ligne qui joint leurs centres. Si ces éléments sont placés à la distance r et sont parcourus par des courants d'intensité I et I', la force qui s'exerce entre eux est : F = k II' dldl’/r2
Le système électromagnétique est défini par le choix d'une constante de proportionnalité k sans dimension et de valeur 1. On obtient le même système en prenant la loi de Coulomb pour le magnétisme (F = k μμ'/r2).
Loi d'Ampère dans le système électromagnétique :F = II' dldl’/r2
L'intensité I étant le quotient d'une charge par un temps, on obtient à partir de la loi d'Ampère la dimension de la charge électrique[Qem]dans le système CGS électromagnétique : [Qem] = M1/2 L1/2
La charge électrique n'a donc pas même dimension dans le système électromagnétique ou dans le système électrostatique.
Comparaison des dimensions des grandeurs électriques dans les deux systèmes
La dimension de la charge étant connue, il est possible de déterminer les dimensions des autres grandeurs électriques dans chaque système grâce à l'expression de la puissance P = UI (la puissance ayant par ailleurs en mécanique la dimension d'une force multipliée par une vitesse) et à la loi U = RI.
Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau suivant :
Les grandeurs électriques ont des dimensions différentes, et assez complexes, dans chaque système. Ainsi la résistance a la dimension d'une vitesse dans le système électromagnétique et la dimension de l'inverse d'une vitesse dans le système électrostatique. Les deux systèmes sont donc incompatibles et impliquent des conversions pénibles lorsque l'on passe de l'un à l'autre.
Une vitesse relie les deux systèmes
D'après le tableau ci-dessus, le rapport entre la dimension de la charge [Qes] dans le système électrostatique et la dimension de la charge [Qem] dans le système électromagnétique est :
[Qes] / [Qem] = L T-1. C'est la dimension d'une vitesse.
Le rapport entre les deux unités de charge fut déterminé expérimentalement par Weber et Kohlrausch en 1856. Leur méthode consiste à mesurer une même quantité d'électricité - la charge d'une bouteille de Leyde (un condensateur) - d'abord en unités électrostatiques, puis en unités électromagnétiques. Les expériences de Weber et Kohlrausch ont donné un rapport Qes/Qemégal à 3,1074.1010cm/s soit 310 740 km/s. Une tout autre méthode, utilisée par Maxwell en 1868, donne un rapport de 2,88. 105km/s.
Pour en savoir plus sur les différentes méthodes de mesure de ce rapport on pourra consulter letraité de Maxwell, p. 468-484. [Voir le PDF]
une figure du traité de Maxwel (p 478)
La vitesse mesurant le rapport des unités de charge se trouvait ainsi étonnamment proche de celle de la lumière, déterminée avec précision au milieu du siècle par Hippolyte Fizeau avec une roue dentée tournant à grande vitesse : 315 300 km/s.
Une telle proximité entre la valeur du quotient Qes/Qemet celle de la vitesse de la lumière a frappé les physiciens, en particulier Maxwell qui étudiait alors les relations entre la propagation de la lumière et la propagation des effets électromagnétiques.
Dans la théorie électromagnétique de Maxwell, les interactions électromagnétiques ne se transmettent pas par des actions à distance, comme la force de Coulomb ou la force d'Ampère, mais par des actions de proche en proche. Les champs électriques et magnétiques remplissent tout l'espace, y compris le vide.
La théorie de Maxwell impose, pour tout système d'unités, une relation entre les constantes A et k :
A/k = c2
c étant la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide.
Le travail expérimental de Kohlrausch et la réflexion de Maxwell, a priori limités à la question des unités, ouvraient des perspectives inattendues dans le domaine théorique.
Unifier les deux systèmes : le système Giorgi
Pour unifier les deux systèmes d'unités électriques, Giovanni Giorgi propose en 1901 un nouveau système qui présente divers avantages. Tout d'abord Giorgi montre qu'en ajoutant aux trois grandeurs fondamentales de la mécanique (masse, longueur, et temps) une quatrième grandeur fondamentale issue de l'électricité, on obtient un nouveau système qui est "cohérent" (toutes les unités dérivent des unités fondamentales sans coefficient autre que 1) contrairement aux systèmes électrostatique et électromagnétique.
Nous avons vu que les choix conventionnels A = 1, bien commode pour l'électrostatique, ou k = 1, bien commode pour le magnétisme, mènent à deux systèmes incompatibles. Giorgi introduit, dans la formulation des lois qui sont à la base de son système, des constantes qui ont une dimension physique, c'est-à-dire qui ne sont pas de simples nombres sans dimension comme ½ ou π. Il montre qu'en prenant A = 1/(4πε0) et k = μ0/4π, on élimine le facteur 4π des équations de Maxwell et de nombreuses formules usuelles en électricité. D'autres choix étaient possibles, mais celui-ci assure la symétrie entre électricité et magnétisme.
Les grandeurs ε0et μ0ont une dimension physique : ε0définit la "capacité du vide à être chargé d'énergie électrique" (la "permittivité") et μ0sa capacité à être chargé d'énergie magnétique (la "perméabilité").
La loi de Coulomb devient : F = (1/4πε0) qq'/r2
et la loi d'Ampère :F = (μ0/4π) II' dldl'/r2.
De la relation A/k = c2découle alors :
ε0μ0c2= 1
Il reste encore un choix arbitraire à faire pour déterminer complètement le système d'unités. Ce choix, fait après de nombreuses discussions au sein de commissions internationales, fut de prendre :
μ0= 4π 10-7m.kg.s-2.A-2(unité du système MKSA).
L'ampère, qui avait été choisi comme quatrième unité fondamentale plutôt que l'ohm, est alors défini comme étant :
"l'intensité d'un courant constant qui, maintenu dans deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable et placés à une distance de 1 mètre l'un de l'autre dans le vide, produit entre ces conducteurs une force de 2.10-7newton par mètre de longueur."
De longs échanges, souvent passionnés entre physiciens et ingénieurs, ont conduit à accepter le système de Giorgi, plus d'un demi-siècle après sa présentation.
Electrostatique et électromagnétisme parlent dès lors le même langage.
Sources :
MAXWELL, James Clerk.Traité d'électricité et de magnétisme. Traduction de la deuxième édition anglaise par A. Sélimann-Lui. Paris : Gauthier-Villars, 1885.
THOMSON (Lord KELVIN), William.Conférences scientifiques et allocutions. Traduites et annotées sur la deuxième édition par P. Lugol. Paris : Gauthier-Villars et Fils, 1893
G. BRUHAT. Cours de Physique Générale, Electricité, huitième édition revue par G. Goudet. Paris : Masson et Cie, 1967.
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Toute réflexion naît d’une histoire personnelle. Je ne présenterai bien sûr ici que ce qui est nécessaire à prévenir toute interprétation erronée de mon propos. C’est que la matière de l’essai est délicate. J’ai multiplié les précautions pour bien distinguer la science du scientisme, ainsi que les chercheurs des scientistes.
Malgré cela, plusieurs lecteurs pourraient craindre que la distinction ne soit pas encore suffisante et que, voulant dénoncer le scientisme, je n’atteigne la science elle-même. C’est que les scientistes, comme tout bon preneur d’otage, se sont saisis de la science et l’utilisent constamment comme «bouclier humain».
The Nature is generous. By endowing sulfur and glass with the property of attraction, it has allowed everyone to seize the electrical phenomenon. The simplest stick of sulfur or the most banal glass tubes already give beautiful effects. But these materials lend themselves especially to the manufacture of "machines" which will complete the "cabinets of curiosities", obligatory attraction of any noble or bourgeois home that respects itself, from the second half of the 17th century.
Otto de Guericke (1602-1686)
Among the builders, a name emerges, that of Otto de Guericke. He is the descendant of a family of notables from the free city of Magdeburg. His father and grandfather served as mayor, helping to make it a prosperous and populous city. He studied first at the University of Leipzig and then joined Leiden to complete his studies in languages as well as in the art of fortifications and war machines.
In 1626, he returned to Magdeburg where his knowledge quickly became useful because, in 1631, the Protestant city was besieged by the armies of the German Emperor in conflict with Sweden whose city is allied.
On May 20, at dawn, the troops of Catholic mercenaries of warlord Tilly, composed of Spaniards, Italians, French, Poles and Germans enter the city. The population resists heroically but fails to repel the attackers. Then begins what has been remembered as the "massacre of Magdeburg": in four days, twenty thousand civilians have been killed by the sword or burned alive in the fire of their house.
Once peace is restored, Otto de Guericke helps raise the city from its ruins and becomes mayor. In this position, he represented Magdeburg at the peace congress which, in 1648, ended this "thirty-year war". Good negotiator, he gets for his city, the recognition of his old privileges. This mission leads him to sit on the Imperial Diet. It was at one of these meetings, in Regensburg, in 1654, that he chose to reveal the capabilities of the vacuum pump he had recently developed.
The so-called "Magdeburg hemispheres" experiment is well known. It follows Torricelli's experiments (1608-1647) on atmospheric pressure.
In 1643, to respond to the problem posed by the Florence fountain-makers who had difficulty pumping water into their wells beyond 32 feet (about 10 meters), Toricelli had spilled a tube full of mercury on a tank containing the same liquid. He could see that the mercury was falling down the tube to stabilize at a height of 28 inches (76cm) above the free surface. He thus demonstrated the existence of the atmospheric pressure but also that of the emptiness which, according to his adversaries, Nature had "horror".
The subject fascinates Otto Guericke who undertakes successfully, the development of a pump capable of evacuating air from a container full of it. After trying to empty a barrel that did not resist the experiment, Guericke had a copper sphere made up of two contiguous hemispheres and equipped with a tap. In front of a large audience, he is emptying into this imposing sphere of a diameter of 1.19 meters. Twenty-four horses hitched to the hemispheres are unable to break the adhesion between the two parts.
This experience radically inaugurates the practice of "science show" whose popularity will also be decisive in the advancement of electrical science.
The experience of the "Hemispheres of Magdeburg" is a landmark in the history of mechanics. Guericke's place in that of electricity is more modest. His contribution in this area was, moreover, ignored by most of his contemporaries. Yet, nearly a century later, several physicists, and in particular the Frenchman Dufay, note that one would have gained to consider his experiments with more attention.
Guericke, in fact, is not realy interested in electricity. He meets it only through the questions he asks himself about the functioning of the Universe and first of all about that of the earth. Among the "virtues" he attributes to our globe, two seem to him fundamental. First a "conservative" virtue: the earth attracts all the materials that are necessary for its formation, water, rocks ... Then an "expulsive" virtue: it repels everything that can destroy it. Fire, for example, whose flame rises to the sky.
Guericke offers of it a spectacular demonstration. Take, he says, a glass balloon the size of a "child's head", fill it with finely ground sulfur, heat up to the fusion of the sulfur, let cool, break the glass and collect the sulfur globe . Equip the globe with a handle and place it on a wooden support. Rub this ball vigorously with a very dry hand.
The ball will then manifest many of the earthly virtues. "Conservative" virtue first, attracting light objects to her.
More amazing is the observation of the "expulsive" virtue ! The globe sometimes repels what it first attracted. A feather, for example, after touching the globe is repulsed. So suspended in the air, it can be walked around the room. Better: whatever the movement of the globe it seems to always present the same face. Exactly like the moon opposite the earth.
Guericke, who has read Gilbert, can not doubt for a moment that the attraction virtue of the earth is simply electrical in nature. As for repulsive virtue, no one before him seems to have noticed it. He attributes to it a different cause and imagines it only proper to the constituent elements of the earth and among these to sulfur. It passes, thus, beside a truth which will remain long obscure until the French Dufay shows that the electricity also has a "repulsive virtue"!
Guericke's experiments contain other rich intuitions. To prove that the air is not the vehicle of the attraction, it shows that this virtue can be transmitted by means of a linen thread, more than a meter long, stretched from the surface of the globe. This first observation of the electrical "conduction" will also remain without a future. It will be up to the Englishman Gray to rediscover it almost a century later.
Even if its title of glory remains the famous experiment of the hemispheres and if its theoretical contribution in the field of electricity remained limited, the talent of observer and experimenter of Guericke, recognized by his successors, deserves the place which him is reserved in the Pantheon of electricians.
Hauksbee ( ?- 1713)
Electricity and vacuum works together in the machines devised by Francis Hauksbee.
The first years of his life are not well known. Self-taught, he is noticed by Newton. In December 1703, the famous physicist, author of the law of universal gravitation, became president of the Royal Society of London, the largest English Scientific Academy. He hires Hauksbee as his lead experimenter. Until 1705, it animates the sessions of the Academy. In particular by classic vacuum experiments inspired by Guericke.
From this date he moves towards the study of "mercurial" or "barometric" phosphorescence. Since 1675, a fortuitous observation intrigues physicists. When a barometric tube arranged in the conditions of the Toricelli experiment is jostled in the darkness, a phosphorescent glow appears in the emptiness released at the upper part of the tube. When Hauksbee tackles the problem, it is generally accepted that this glow comes from an emanation of mercury. For his part he chooses to use method and study the respective roles of emptiness, glass and mercury.
The vacuum ? Hauksbee partially fills a balloon with mercury in which he creates vacuum. The whole remains dark as long as the liquid remains motionless. It is therefore clear that the vacuum is not sufficient but that, on the other hand, the friction caused by the movement is essential.
Friction on mercury or on glass? From November 1705 Hauksbee uses, to answer this question, a montage which ignores mercury. It is a sphere of glass provided with two diametrically opposed copper pieces serving as its axis. This sphere can be put in rapid motion by placing it on a machine inspired by a carpenter's wheel. But its essential property is to have been conceived so that one can realize the emptiness. Hauksbee took the precaution of keeping a valve in one of the parts of the shaft that can be connected to a vacuum pump.
The Hauksbee electric machine. A tap allows to empty it
The sphere, emptied of its air, is set in motion and rubbed by the hand of the experimenter. Suddenly, in the darkness, the sphere fills with a strong diffuse glow. A wall ten feet away is illuminated. A book held near the globe can be read. When a finger approaches the sphere, the light is concentrated in filaments that seem attracted by this finger. The light gradually decreases when, little by little, the air is allowed to enter the tube.
Even when the atmospheric pressure is reached, we can still catch some light from the globe. It is external this time, and present themselves in the new form of sparks. Hauksbee still hesitates but for Newton opinion, the light does not come from emptiness, nor from mercury but from glass!
We now know that if it is the glass that is electrified, the light comes from the air. In the "empty" globe, there is still residual gas and it is "ionized" under the effect of the electric field created by the friction of the glass. It becomes, by this fact, bright, like neon in a tube of lighting. Naturally this interpretation was impossible to those who had neither the knowledge of the nature of the air, nor, still less, of the existence and constitution of the atoms.
This "electrical phosphorescence" will continue to obsess generations of physicists. His study will lead to cathode-ray tubes, which for some time still equip our televisions and computers screens. The discovery of X-rays, that of electrons, that of radioactivity, will also be at the end of this adventure that we will discuss later.
For the moment, Hauksbee's spectacular and frightening demonstrations in the darkness of a cabinet are becoming the star experiences of physics shows.
Tube or globe?
One thing is certain: for those who saw glass as a secondary material and with few electrical effects, and who continued to prefer amber, sulfur or wax, Hauksbee opposed them a convincing denial.
Glass is essential, but in what form? Hauksbee himself for his classical demonstrations renounces his spheres and uses only a tube of flint-glass, the flint-glass used for optics and of which the English are the specialists. With a tube one meter long and three centimeters in diameter, it attracts thin sheets of copper several tens of centimeters apart. These sheets of copper, or better of gold, more sensitive than pieces of string or paper, will become the classic material of electrical laboratories. To put them in motion, a glass tube is more than enough.
The globe, mounted on a tower, will be forgotten for thirty years until, around 1733, a German physicist, Bose, takes up the idea.
Bose (1710-1761)
Georg Matthias Bose, born in Leipzig, is interested in new physics and mathematics while pursuing his medical studies. In 1738 he was appointed to a chair of "natural philosophy" at the University of Wittenberg. From this position, he establishes a close relationship with all that Europe counts as well-known people, both scientists and men of letters, religion and politics. The magic aspect of electricity seduces him. When his readings lead him to meet the electrical experiments of Gray and Dufay (two persons of prime importance that we will talk about again), and in particular those on conductors and insulators; when, moreover, he finds the description of Hauksbee's globe, he knows that he has found both his vocation and his public.
It first completes the Hauksbee device with an assembly that will become the standard for all European laboratories. An iron tube, sometimes in the form of a rifle barrel, hangs horizontally from two cords of silk. He grazes, without touching it, the rubbed glass globe. This "first conductor" will then be used to distribute the "electrical fluid" through various chains or conductors to the surrounding experimental devices.
Bose then organizes "electric parties" that are not limited to its student audience. Imagine a meal where you have invited all the prominent notables in your city. The legs of the table have been isolated by wax patties as well as the chair that you have reserved for yourself. From the electric machine you have operated and concealed, a connecting wire is brought near your hand. At the moment your guests want to grab their fork, you just have to do the contact with the table so that an electric shock comes to make them jump on their chair. At dessert you will set a liquor cup on fire simply by the approach of one of your fingers from where only the closest spectators will have seen a spark escape. Your guests will then be ready to follow you in the cabinet of curiosities where you will transport them in a universe at once wonderful and terrifying.
Wonderful! Wafers of thick wax are placed on the floor. Each participant climbs on one of them and reaches out to his neighbors, forming a chain whose first link firmly holds the rifle barrel suspended above the globe of the machine. When the globe is set in motion, the person at the other end of the chain reaches out over gold leaves placed on a plate. Each one then sees the leaves rise from a light flight, as attracted by a magic will, towards the open hand of the experimenter. Let's put out the candles that light up this closed-shuttered salon and reach for the driver of the machine, we will see sparkling sparks. In the form of apotheosis we can propose the demonstration of the "electric beatification". The loveliest person in the assembly is invited to climb on a cake of wax and to seize the driver. When the machine is vigorously activated, its hair unfolds in a halo which illuminates, in the darkness, a thousand gleams of holiness.
Terrifying ! The man who has the courage to run a few drops of his blood sees them glitter like fire beads in the dark as he grabs the electric conductor. Tense fingers of a person connected to the machine can kill the poor flies to which the spark will be directed. Could we not make more serious victims tomorrow? Such manipulations would certainly have condamned their authors to be burned in the times, still close, of the Inquisition!
Terrifying and traitor! As beautiful as the young person haloed by the contact of the machine be, it will not be prudent to approach his lips for a kiss. The "Electrified Venus" will defend its virtue by a vigorous electric shock.
The news of these wonders reaches France and in particular to the Abbé Nollet who is then one of the most prominent European electricians. He said he could not sleep until he himself had built and perfected a machine.
The globe, one foot in diameter, used by Nollet, is thick glass. The wheel which drives it by means of a belt passing by a pulley fixed on its axis, must be at least four feet in diameter and be provided with a crank which allows two men to activate it. Nollet prefers to rub the globe by hand but many European physicists have chosen to add a leather cushion.
The plate machines.
This voluminous machine will fit most physics cabinets until the Englishman Ramsden (1735-1800) builds the first plate machine in 1768. The plate machine is perfected quickly and will become really effective when the first machines appear. " with electrical influence ", ie requiring no friction. The famous machine invented by the English Wimshurst in 1883, still equips the laboratories of our high schools.
The Van Marum machine built in 1784 is still a notable attraction at the Netherlands pavilion of the Paris International Electrical Exhibition in 1881.
The Greek science which had taken refuge in the Egypt of Alexandria found its heirs among the Arab scholars. Europe awakens from the "Middle Ages", this long succession of centuries traditionally, and often unjustly, described as those of the deepest obscurantism.
It was not without danger, in the heart of the 13th century, to be interested too closely in the attraction properties of amber or magnet. The Franciscan Roger Bacon (1214-1294), considered one of the first medieval experimenters, made of it the painful experience. His practices having been denounced and condemned, he had to suffer many years of imprisonment. Some of his colleagues did not have the same luck, their career and their writings ended on the pyres of the Inquisition.
So we reached the heart of the "Renaissance". A new freedom reigns in the arts and letters. One can again be interested in the attractive phenomena without being suspected of trade with the devil. William Gilbert (1544-1603), physician to Queen Elizabeth of England, decided to work about it. Under the title "De Magnete" (about the magnet), he published the results of the in-depth study of magnetism to which he devoted himself. He also studies the attraction of rubbed yellow amber. On this occasion he forges the word "electric".
Bust of William Gilbert in the library of Trinity College in Dublin.
How could he have imagined that the rigor of his experimental conduct and the perceptiveness of his conclusions would not only open a royal road to a new branch of knowledge, but also revolutionize human civilization as a whole.
Gilbert followed, in Cambridge, the classical studies of a medical student. Mathematics and astronomy, dialectics, philosophy, Aristotelian physics, metaphysics and ethics occupy his first four years. Medical studies by themselves consist mostly of readings of Galen and his commentators. The Greek physician who had structured in Rome, in the second century of our era, the theory of the four "moods" (blood, phlegm, yellow bile and black bile) and the four "temperaments" (sanguine, phlegmatic, choleric and melancholic) , is still the only authority recognized by the Royal College of Physicians. Everything happens as if no observation, no new technique, had come to enrich the art of healing for more than ten centuries. Gilbert refuses a knowledge thus frozen. He completes his studies in a self-taught way. Even before getting his doctorate, in 1569, he began to study the properties of the magnet.
The new doctor creates a cabinet in London in the middle of the year 1570. He quickly gets a clientele in the aristocracy and intellectual circles of the capital and becomes an influential member of the College of Physicians. In parallel, he continues his private studies with many "troubles, insomnias and expenses". Two books are from this work. The most remarkable, "De Magnete", appears in 1600. Happy New Year for its author! At the same time, he was chosen as the Queen's appointed physician and promoted to the presidency of the Royal College of Medicine.
Birth of electricity: As its title suggests, De Magnete is essentially devoted to the magnet, that is to say to the ore that we now call "magnetic oxide" and which is naturally magnetized. The book is a good synthesis of the knowledge of the moment. He substantiates the idea that the earth is, itself, a huge magnet. We will talk about it again.
For the moment, the aspect of the work that deserves our immediate interest lies elsewhere. It is contained in the long chapter devoted to amber. In doing so, Gilbert aims at an objective : he wishes to establish, in a sure and definitive way, the difference between the attraction of amber and that of the magnet.
This work was of first urgency. Tradition regularly confused these two types of action. Thales, the first, had been quoted as "communicating life to inanimate things" by using both amber and magnet. However, the differences could only imposed themselves on those who decided to rely on observation rather than just texts inherited from the ancients.
Gilbert was not the first to insist on these differences. In the middle of the 16th century the Italian Girolamo Cardano had already established a first list of them. Cardano himself was a physician ; the natural magnet powder, like that of amber, was probably one of the remedies he proposed to his patients.
Cardano found five different behaviors to amber and magnet. We will retain three of them:
1) Amber attracts all kinds of bodies. The magnet only attracts the iron.
2) The action of amber is caused by heat and friction, that of the magnet is permanent.
3) The magnet only attracts towards its poles. the amber to any rubbed part.
Gilbert resumes these propositions on his account. He adds two observations:
1) A wet surface or a humid atmosphere removes the effect of amber. Which is not the case for the magnet.
2) the attractive property of amber, unlike that of the magnet, belongs to a wide variety of substances.
With regard to the history of electricity, it is naturally this last observation which is the most remarkable.
Electricity is a general property of matter. Gilbert already knew, after reading the Greek authors, that amber was not the only body with attraction properties. The diamond, other adornment of men and gods, was itself endowed with it. The question naturally arises : can we still enlarge the list of the bodies presenting the property which it designates by the term "electric"? This word, coined by Gilbert in reference to amber, will have, as we know, a beautiful career.
Guided by an intuition still influenced by tradition, Gilbert begins his investigations with gems and precious stones.
To help in his research he uses an instrument inspired by his study of magnetism : a metal needle of about ten centimeters mounted on a pivot. Any metal is suitable. Copper, for example, or even money. Iron would also be appropriate, but it is better to dismiss it if one wishes to avoid any confusion with magnetism : a magnet has no action on a copper or silver needle. This "versorium", as Gilbert calls it, is a very sensitive detector. It allows you to highlight attractions that would remain hidden if you were trying to attract only bits of string or paper placed on a table. Gilbert thus establishes a list of at least 23 "electric" bodies.
The most humble are often found to be the most active. Two in particular stand out : sulfur and glass. What's more banal than these two materials ? Yet they are much more effective than a ball of amber of good size. They are so so that it is astonishing to note that it took twenty centuries before one became aware of it.
We measure the obstacle erected on the path of knowledge by the mythical valorization of amber. As if the very idea of searching attraction property in ordinary materials might have seemed sacrilegious. After Gilbert, glass and sulfur will become experimental materials of choice.
But let's not forget that the goal was to highlight the different natures of the magnetic attraction and electric attraction. He was thus reached beyond all hope. On the one hand, there is a property that is found only in the "magnet stone" or, temporarily, in the steel put in contact with a magnet. On the other hand it is already possible to draw up a list of more than twenty bodies which, rubbed, can manifest the attraction property of amber.
With hindsight, this distinction could appear as an obstacle on the road that, two centuries later, will lead to the fusion of the two disciplines and the birth of electromagnetism. In fact, this temporary separation must be considered as an essential first step. By letting both knowledge develop in parallel, we have allowed each to flourish. It was the slow journey that led from amber to the "Leyden Bottle" and then to the "Voltaic generator" which produced the electric currents that will soon power the electromagnets.
If Gilbert is to be credited with having substantiated the distinction between "electric" and "magnetic", we owe him above all to have been able to "trivialize" the attraction property of amber and to have erased his "magic" character. To have, at the same time, opened the way of a new discipline and to have baptized it.
Gilbert died three years after the publication of his book on magnetism. He will not have had time to write the one who would come to complete it and that could have been entitled: "About electric bodies".
Thales (625-547 BC), Greek of the city of Miletus, at once physicist, astronomer and geometer, is traditionally designated as the first electrician. It is by Aristotle and Hippias that we learn that he "communicated life" to inanimate things by means of the yellow amber, referred to under the Greek term "Elektron", transcribed by the Latin electrum, which is the origin of the word electricity.
Communicating life to inanimate beings ... from his birth electricity is surrounded by mystery.
Amber.
A quick glance at a contemporary dictionary tells us that amber is a "hard and brittle resin, whose color varies from pale yellow to red and from which is made of necklaces, articles for smokers, etc. ...". The photograph that accompanies this text shows us an insect prisoner of a blond stone with transparency of crystal.
Amber, mythical material of ancient Greece, has still, today, an important place in the crafts of the southern Mediterranean. He alternates on necklaces and bracelets with coral and filigree silver beads. One could believe this mineral, like the rose of sands, matured in the sun of the desert.
Yet the amber comes from the cold.For millennia, the inhabitants of the Baltic coast have been collecting this precious gift of the sea, deposited on the sand after every storm. Is its origin marine or terrestrial? From antiquity to the end of the 18th century, long controversies followed before it was admitted that amber is a fossilized resin.
Forty to fifty million years ago, in a period geologists refer to as the Eocene, a tropical climate prevailed over Europe and Scandinavia. The resin-producing pines, the source of amber, grew among date palms, redwoods, cedars, cypresses, and most of the hardwoods that we still find in our region : oaks, beeches, chestnuts. Clouds of mosquitoes, flies, wasps filled the air with their buzzing. Ants, beetles, scorpions swarmed under the moss. All this little people came to get sticked in the still fresh resin. In the spring, magnolias and rhododendrons were blooming over juniper rugs and even tea trees growing where the soil was not flooded. Water, indeed, was everywhere present. It is it who protected the resin of an oxidation which would have destroyed it. This water fed rivers that concentrated amber at their mouths, creating rich deposits.
Then the climate cooled. The glaciers that covered Northern Europe transported and deposited these sedimentary earths. The amber is still there today. When, by chance, the deposits line the current seas, erosion releases the blocks. The density of amber being very little higher than that of sea water, currents and storms bring it easily on beaches where it is convenient to fish it.
An attractive material Sweet, warm to the touch, mysterious jewellery case of strange insects, endowed with the extraordinary gift of attraction at a distance, this stone has certainly provoked in our oldest ancestors, the fascination which is still ours.
A piece of 30,000-year-old perforated amber, probably a talisman, is considered the first object of this material associated with man. Bears, wild horses, wild boars, elk were there shaped by the men who lived in northern Europe 7000 years before our era. Neolithic farmers who inhabited the same regions three thousand years later were buried with necklaces and amulets of amber. During the next two millennia, amber spreads gradually throughout Europe, to the Mediterranean. By the same routes circulate copper and tin which will make flourish the civilizations of the Bronze Age.
At that time, real trade routes crisscross Europe.
From Jutland, they take the road to the Elbe or the Rhine and the Rhone. From the eastern Baltic, they descend the Oder and Vistula to reach the Mediterranean through the Black Sea. A sea route also exists that descends from the North Sea across the Channel and bypasses Spain to reach the Mediterranean.
The tombs under Tumulus of the princes and princesses of the Bronze Age excavated in the south of England and on the shores of the Armorican coasts have transmitted to us fabulous treasures. Amber is associated with gold to exalt the power of their owners.
In Greece, the amber of the Baltic arrives around 1600-1500 before J-C. The tombs of this period found in Mycenae contain hundreds of pearls that seem to have been imported already cut. Shortly after, this same amber is found in Egypt in the royal tombs. This trade seems to have been the specialty of the Phoenicians. It was not until the 4th century BC that Pytheas, Greek from the colony of Marseilles, gives us the story of his journey to the Baltic seas where he would have ballasted his ship with amber blocks.
The tears of the Heliades. In Greek mythology, amber is of a divine nature. These are the rays of Helios, god of the sun, petrified when the solar star sinks into the floods. These are the tears of the Heliads, mortal nymphs, who cry every night for the death of their brother Phaeton.
Phaeton, son of Helios, had obtained permission to drive the chariot of the sun. Alas, he did not know how to master the winged horses of the team. He approached too near the earth. Mountains began to burn, fires devastated the forests, drought spread to vast areas that became deserts. Zeus, in his anger, threw his thunderbolt on Phaeton and made it sink in the floods of the Eridan River (often associated with the Po, one of the paths of entry of amber but also designating the seas bordered by the Celts and germans countries). Rushed up to the banks of the great river, the Heliades, sisters of Phaeton, remained inconsolable. The gods, out of compassion, turned them into poplars so that they could eternally accompany with their tears, the disappearance of the setting sun. Their tears, petrified in golden pearls, become the finest adornment of Greek women.
Rubens. Fall of Phaeton.
The names of the amber. "Ellektron", that is the name that comes from the Greeks. To describe amber, the Latin gave us the term succin (succinum), derived from sucus (juice, sap). The word "amber", meanwhile, could come from a series of unfortunate translations. The Arabs used the term "Haur roumi" (poplar Roman) to designe the tree whose sap they considered as the source of succin. This word turned into "avrum" by the Latin translators of Arab authors would have been confused with "ambrum" which meant ambergris, "anbar" in Arabic. Ambergris, an odoriferous concretion forming in the intestines of sperm whales and used in perfumery, has nothing in common with yellow amber. Only the name confuses them in French as in Spanish (ambar) or in English (amber).
German uses the word "Bernstein" which refers to a "burning stone". The northern populations encountered by Pytheas were, in fact, reputed to use amber as a fuel. Slavs use the word gentar or jantar meaning amulet. The word "goularz" Breton Armorican could evoke the light (goulou) and would, in this case, close to the Greek myth.
Each language expresses, thus, one of the aspects of the myth of amber: that of a stone of sun or light, that of a stone which attracts, that of a stone which protects, that of a stone who heals. The amber has left no people indifferent.
But what do the Greek authors tell us apart from the myth? Few things really. They know, at best, that amber attracts but do not always indicate that it must first be rubbed.
The phenomenon therefore remains very superficially studied. Nothing evokes the beginning of a practice or a reflection which is related to a "scientific" behavior. Unlike chemistry, which can claim a tradition dating back to the very origins of human civilizations, electrical science has no real prehistory.
The long sleep of amber. Improved transportation, combined with the wealth of deposits, amber is gradually losing its market value. Inevitably, its "magic" character is diminished. It is however prolonged in the form of the medicinal properties attributed to it.
Amber pearl necklaces are particularly popular among healers. Eighteenth-century academic literature commonly refers to collars worn to cure migraines, eye or throat diseases. An archeology book published at the beginning of the 20th century describes these talisman necklaces worn by some Breton families in Morbihan. The author imagines them issued from tumulus, these "fairy rocks" or "dragon caves" so often visited by their ancestors.
A piece of amber is, still today, given to chew to children from the shores of the Baltic to relieve toothaches. Our century seems to be one where old myths are reactivated. The amber has returned to the center of a trade which is adorned with the virtues of esotericism. One can buy on the internet collars which will make run to the babies of risks of accident that the simple wisdom should lead to avoid.
From amber to succin. More academically, amber, under the name of succin is the basis of a host of remedies prepared by apothecaries until the end of the 18th century and perhaps beyond. It can be used in powder form but also in solution. Witness this recipe brought back from Copenhagen in 1673 by Thomas Bartholin, correspondent of the Paris Academy of Sciences: "to burn to ashes, the blood and the hare skin in a new vessel, the laundrying of these ashes hot dissolves the succin that one there throws". A remedy prepared with such refinements necessarily had to be effective.
If one believes the list of evils that it is supposed to cure, the succin would indeed be a true panacea. Such a universality can only, however, alert a critical mind. Scrupulous doctors question themselves. For example, Dr. J. Fothergill of the " College of Physicians of London", who considers in an article published in 1744 that only a "prejudice" has maintained its use in medicine and advocates for a sanitation enterprise in the medical science: "If Skilled and experienced people wanted to devote their free time to inform us of the inefficacy of methods and remedies similar to this one, Medicine would be enclosed in narrower limits ".
Even if we find, still today, "succinic" acid in the list of our pharmaceutical products, the succin certainly has a limited therapeutic interest. Fortunately, however, his prolonged presence in pharmacies and doctors' offices will have had the merit of saving him from oblivion.
It is therefore a physician, William Gilbert who, in the 17th century, will study the attractive properties of amber with the new look of nascent science and may, better than Thales, claim the title of "first electrician".
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Comme l'art ou la littérature,les sciences sont un élément à part entière de la culture humaine. Leur histoire nous éclaire sur le monde contemporain à un moment où les techniques qui en sont issues semblent échapper à la maîtrise humaine.
La connaissance de son histoire est aussi la meilleure des façons d'inviter une nouvelle génération à s'engager dans l'aventure de la recherche scientifique.
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