The first International Exposition of Electricity in Paris ran from August 15, 1881 through to November 15, 1881 at the Palais de l’Industrie on the Champs-Elysees.
It served to display the advances in electrical technology since the small electrical display at the 1878 Universal Exposition. Exhibitors came from the United Kingdom, United States, Germany, Italy and Holland, as well as from France.
This show was a great stir. The public could admire the dynamo of Zénobe Gramme, the incandescent light bulbs of Thomas Edison, the Théâtrophone, the electric tramway of Werner von Siemens, the telephone of Alexander Graham Bell, an electrical distribution network by Marcel Deprez, and an electric car by Gustave Trouvé.
The first International Congress of Electricians.
As part of the exhibition, the first International Congress of Electricians, which met in the halls of the Palais du Trocadero, presented numerous scientific and technical papers, including definitions of the standard practical units volt, ohm and ampere.[1]
George Berger was the Commissioner General. Aside from the provision of the building by the French government, the exhibition was privately financed. Organizers would donate profits to scientific works in the public interest.
Adolphe Cochery, Minister of Posts and Telegraphs of the time, had initially suggested that an international exposition should be held.[2]
Among the exhibits were :
Apparatus for production and transmission of electricity, natural and artificial magnets, and compasses, devices used in the study of electricity, many applications of electricity (sound, heat, light, electroplating, electrochemistry, signage, power,industrial applications, agricultural and domestic), lightning, old instruments in connection with electricity.
The Edison dynamo.
Electric lighting was one of key developments on display at the exposition, with up to 2500 electric lamps in use. Comparative testing of Edison, Swan, Maxim, and Lane-Fox incandescent lamps were conducted by William Crookes to establish the most efficient form of lamp.[3]
A : Edison lamp.
B : Maxim lamp.
C : Swan lamp
Using the described Théâtrophone apparatus, visitors could hear the live opera two kilometres away.
La science grecque qui s’était réfugiée dans l’Egypte d’Alexandrie a trouvé ses héritiers chez les lettrés arabes. L’Europe s’éveille du " moyen âge ", cette longue succession de siècles traditionnellement, et souvent injustement, décrits comme ceux du plus profond obscurantisme.
Il n’était pas sans danger, au cœur du 13ème siècle, de s’intéresser de trop près aux propriétés attractives de l’ambre ou de l’aimant. Le Franciscain Roger Bacon (1214-1294), considéré comme l’un des premiers expérimentateurs médiévaux, en a fait la douloureuse expérience. Ses pratiques ayant été dénoncées et condamnées, il connut de longues années d’emprisonnement. Certains de ses confrères n’ont pas eu la même chance, leur carrière et leurs écrits ont fini sur les bûchers de l’Inquisition.
Nous sommes donc parvenus au cœur de la " Renaissance ". Une nouvelle liberté règne dans les arts et les lettres. On peut à nouveau s’intéresser aux phénomènes attractifs sans être soupçonné de commerce avec le diable. William Gilbert (1544-1603), médecin de la reine Elisabeth d’Angleterre, a décidé de s’y employer. Sous le titre " De Magnete " (au sujet de l’aimant), il publie les résultats de l’étude approfondie du magnétisme à laquelle il s’est consacré. Il y traite également de l’attraction de l’ambre jaune frotté. A cette occasion il forge le mot " électrique ".
Buste de William Gilbert dans la bibliothèque du Trinity College à Dublin.
Comment aurait-il pu imaginer que la rigueur de sa conduite expérimentale et la clairvoyance de ses conclusions allaient, non seulement, ouvrir une voie royale à une nouvelle branche du savoir, mais aussi, révolutionner la civilisation humaine dans son ensemble.
Gilbert a suivi, à Cambridge, les études classiques d’un étudiant en médecine. Mathématiques et astronomie, dialectique, philosophie, physique aristotélicienne, métaphysique et éthique occupent ses quatre premières années. Les études médicales par elles-mêmes consistent pour l’essentiel en lectures de Galien et de ses commentateurs. Le médecin grec qui avait structuré, à Rome, au deuxième siècle de notre ère, la théorie des quatre "humeurs" (sang, phlegme, bile jaune et bile noire) et des quatre "tempéraments" (sanguin, phlegmatique, colérique et mélancolique), est encore la seule autorité reconnue par le Collège Royal des Médecins. Tout se passe comme si aucune observation, aucune technique nouvelle, n’était venue enrichir l’art de guérir depuis plus de dix siècles. Gilbert refuse un savoir ainsi figé. Il complète donc ses études de façon autodidacte. Avant même d’obtenir son doctorat, en 1569, il a commencé à étudier les propriétés de l’aimant.
Le nouveau médecin crée un cabinet à Londres au milieu de l’année 1570. Il se fait rapidement une clientèle dans l’aristocratie et les milieux intellectuels de la capitale et devient un membre influent du collège des médecins. En parallèle, il poursuit ses études particulières avec beaucoup « de peine, de veilles et de dépenses ». Deux livres sont issus de ce travail. Le plus remarquable, « De Magnete », paraît en 1600. Année heureuse pour son auteur ! Il est, au même moment, choisi comme médecin attitré de la reine et promu à la présidence du Collège Royal de Médecine.
Naissance de l’électricité :
Comme son titre l’indique, De Magnete, est essentiellement consacré à l’aimant, c’est à dire au minerai que nous désignons aujourd’hui par le terme d’oxyde magnétique et qui est aimanté de façon naturelle. L’ouvrage est une bonne synthèse des connaissances du moment. Il accrédite l’idée que la terre est, elle-même, un énorme aimant. Nous en reparlerons.
Pour le moment, l’aspect de l’ouvrage qui mérite notre intérêt immédiat réside ailleurs. Il est contenu dans le long chapitre consacré à l’ambre. Ce faisant, Gilbert vise un objectif : il souhaite établir, de façon sûre et définitive, la différence entre l’attraction de l’ambre et celle de l’aimant.
Ce travail était de la première urgence. La tradition confondait régulièrement ces deux types d’action. Thalès, le premier, avait été cité comme « communiquant la vie aux choses inanimées » en utilisant aussi bien l’ambre que l’aimant. Pourtant les différences ne pouvaient que s’imposer à qui décidait de se fier à l’observation plutôt qu’aux seuls textes hérités des anciens.
Gilbert n’était pas le premier à avoir insisté sur ces différences. Au milieu du 16ème siècle l’Italien Girolamo Cardano, que nous désignons en France sous le nom de Jérôme Cardan, en avait déjà établi une première liste. Cardano était lui-même médecin, la poudre d’aimant naturel, comme celle d’ambre, faisait vraisemblablement partie des remèdes qu’il proposait à ses patients.
Cardano trouvait cinq comportements différents à l’ambre et l’aimant. Nous en retiendrons trois :
1) L’ambre attire toutes sortes de corps. L’aimant n’attire que le fer.
2) L’action de l’ambre est provoquée par la chaleur et le frottement, celle de l’aimant est permanente.
3) L’aimant n’attire que vers ses pôles. L’ambre vers n’importe quelle partie frottée.
Gilbert reprend ces propositions à son compte. Il y ajoute deux observations :
1) Une surface mouillée ou une atmosphère humide supprime l’effet de l’ambre. Ce qui n’est pas le cas pour l’aimant.
2) la propriété attractive de l’ambre, contrairement à celle de l’aimant, appartient à une grande variété de substances.
Au regard de l’histoire de l’électricité, c’est naturellement cette dernière observation qui est la plus remarquable.
L’électricité est une propriété générale de la matière.
Gilbert savait déjà, après avoir lu les auteurs grecs, que l’ambre n’était pas le seul corps présentant des propriétés attractives. Le diamant, autre parure des hommes et des dieux, en était lui-même pourvu. La question se pose donc tout naturellement : peut-on élargir encore la liste des corps présentant la propriété qu’il désigne par le terme " électrique " ? Ce mot, forgé par Gilbert en référence à l’ambre, aura, comme nous le savons, une belle carrière.
Guidé par une intuition encore influencée par la tradition, Gilbert commence donc ses investigations par les gemmes et les pierres précieuses.
Pour s’aider dans sa recherche il utilise un instrument inspiré de son étude du magnétisme : une aiguille métallique d’une dizaine de centimètres montée sur un pivot. N’importe quel métal convient. Le cuivre, par exemple, ou encore l’argent. Le fer conviendrait également, mais mieux vaut l’écarter si on souhaite éviter toute confusion avec le magnétisme : un aimant n’a aucune action sur une aiguille de cuivre ou d’argent. Ce " versorium ", comme Gilbert le nomme, est un détecteur très sensible. Il permet de mettre en évidence des attractions qui resteraient cachées si on ne cherchait à attirer que des bouts de ficelle ou de papier posés sur une table. Gilbert établit ainsi une liste d’au moins 23 corps " électriques ".
Les plus humbles se révèlent, souvent, être les plus actifs. Deux en particulier se distinguent : le soufre et le verre. Quoi de plus banal que ces deux matériaux ? Pourtant ils se montrent bien plus efficaces qu’une boule d’ambre de belle taille. Ils le sont à tel point qu’on s’étonne de constater qu’il aura fallu vingt siècles avant qu’on en prenne conscience.
On mesure l’obstacle dressé, sur le chemin de la connaissance par la valorisation mythique de l’ambre. Comme si l’idée même de chercher dans des matières ordinaires la propriété attractive avait pu paraître sacrilège. Après Gilbert, le verre, le soufre deviendront les matériaux expérimentaux de choix.
Mais n’oublions pas que l’objectif était de mettre en évidence les natures différentes de l’attraction magnétique et de l’attraction électrique. Il était donc atteint au-delà de toute espérance. D’un côté il existe bien une propriété qu’on ne rencontre que dans la "pierre d’aimant" ou, de façon temporaire, dans l’acier mis au contact d’un aimant. De l’autre il est déjà possible de dresser une liste de plus de vingt corps qui, frottés, peuvent manifester la propriété attractive de l’ambre.
Avec le recul, cette distinction pourrait apparaître comme un obstacle sur la route qui, deux siècles plus tard, mènera à la fusion des deux disciplines et à la naissance de l’électromagnétisme. En fait, cette séparation temporaire doit être considérée comme une première étape essentielle. En laissant les deux savoirs se développer de façon parallèle on a permis leur épanouissement. C’est le lent cheminement qui a mené de l’ambre à la " bouteille de Leyde " puis à la " pile de Volta " qui a permis de produire les courants électriques qui alimenteront bientôt les électroaimants.
Si on doit reconnaître à Gilbert le mérite d’avoir étayé la distinction entre "électrique" et "magnétique", nous lui devons par dessus tout d’avoir su " banaliser " la propriété attractive de l’ambre et d’en avoir gommé le caractère " magique ". D’avoir, à la fois, ouvert la voie d’une nouvelle discipline et de l’avoir baptisée.
Gilbert meurt trois ans après la publication de son ouvrage sur le magnétisme. Il n’aura pas eu le temps d’écrire celui qui serait venu le compléter et qui aurait pu s’intituler : "Au sujet des corps électriques".
Voici un ouvrage à mettre entre toutes les mains, celles de nos élèves dès les classes de premières S et STI de nos lycées, et entre les mains de tous les futurs enseignants de sciences physiques et de physique appliquée (tant qu’il en reste encore !).
L’auteur est un collègue professeur de sciences physiques, formé à l’histoire des sciences, et formateur des enseignants en sciences dans l’académie de rennes. Bref quelqu’un qui a réfléchi tant à l’histoire de sa discipline qu’à son enseignement et sa didactique, et cela se sent. Le style est fluide et imagé, bref, plaisant au possible...
...voici donc un bon ouvrage permettant de se construire une culture scientifique sans l’âpreté des équations de la physique.
Thalès (625-547 av JC), grec de la ville de Milet, à la fois physicien, astronome et géomètre, est traditionnellement désigné comme le premier électricien. C’est par Aristote et Hippias que nous apprenons qu’il « communiquait la vie » aux choses inanimées au moyen de l’ambre jaune désigné sous le terme grec « ήlectron », êlektron, transcrit par le latin electrum et qui est à l’origine du mot électricité.
Communiquer la vie aux êtres inanimés…dès sa naissance l’électricité s’entoure de mystère.
L’ambre
Un rapide coup d’œil sur un dictionnaire contemporain nous apprend que l’ambre est une " résine dure et cassante, dont la couleur varie du jaune pâle au rouge et dont on fait des colliers, des articles pour fumeurs, etc.… ". La photographie qui accompagne ce texte nous montre un insecte prisonnier d’une pierre blonde à la transparence de cristal.
L’ambre, matière mythique de la Grèce antique, a conservé, encore aujourd’hui, une place importante dans l’artisanat du sud méditerranéen. Il alterne sur les colliers et les bracelets avec le corail et les perles d’argent filigrané. On pourrait croire ce minéral, comme la rose des sables, mûri au soleil du désert.
Pourtant l’ambre nous vient du froid.
Depuis des millénaires, les habitants des côtes de la Baltique recueillent ce don précieux de la mer, déposé sur le sable après chaque tempête. Son origine est-elle marine ou terrestre ? Depuis l’antiquité jusqu’à la fin du 18ème siècle, de longues controverses se succèdent avant qu’il soit admis que l’ambre est une résine fossilisée.
Il y a 40 à 50 millions d’années, dans une période que les géologues désignent par le nom d’Eocène, un climat tropical régnait sur l’Europe et la Scandinavie. Les pins producteurs de la résine, source de l’ambre, poussaient au milieu de palmiers dattiers, de séquoias, de thuyas, de cyprès, de cèdres et de la plupart des feuillus que nous trouvons encore dans nos contrées : chênes, hêtres, châtaigniers. Des nuées de moustiques, de mouches, de guêpes emplissaient l’air de leurs bourdonnements. Les fourmis, les scarabées, les scorpions grouillaient sous la mousse. Tout ce petit peuple venait s’engluer dans la résine encore fraîche. Au printemps, les magnolias et les rhododendrons fleurissaient au-dessus des tapis de genévriers et, même, de théiers qui poussaient là où le sol n’était pas inondé. L’eau, en effet, était partout présente. C’est elle qui a protégé la résine d’une oxydation qui l’aurait détruite. Cette eau alimentait des fleuves qui concentraient l’ambre à leurs embouchures, créant ainsi de riches dépôts.
Puis le climat s’est refroidi. Les glaciers qui ont recouvert l’Europe du Nord, ont transporté et déposé ces terres sédimentaires. L’ambre s’y trouve encore aujourd’hui. Quand, par chance, les gisements bordent les mers actuelles, l’érosion libère les blocs. La densité de l’ambre étant très peu supérieure à celle de l’eau de mer, les courants et les tempêtes l’amènent facilement sur les plages où il est commode de le pêcher.
Une matière attirante
Douce, chaude au toucher, écrin mystérieux d’insectes étranges, douée du don extraordinaire d’attraction à distance, cette pierre a certainement provoqué chez nos plus anciens ancêtres, la fascination qui est encore la nôtre.
Un morceau d’ambre perforé âgé de 30 000 ans, sans doute un talisman, est considéré comme le premier objet de cette matière associé à l’homme. Des ours, des chevaux sauvages, des sangliers, des élans y ont été façonnés par les hommes qui habitaient le Nord de l’Europe 7000 ans avant notre ère. Les agriculteurs du néolithique qui peuplaient les mêmes régions trois mille ans plus tard, se faisaient enterrer avec des colliers et des amulettes d’ambre. Durant les deux millénaires suivants, l’ambre se répand peu à peu dans toute l’Europe, jusqu’à la Méditerranée. Par les mêmes voies circulent le cuivre et l’étain qui feront s’épanouir les civilisations de l’âge du bronze.
A cette époque, de véritables routes commerciales sillonnent l’Europe.
Depuis le Jutland, elles prennent la route de l’Elbe ou celle du Rhin et du Rhône. De la Baltique orientale elles descendent l’Oder et la Vistule pour rejoindre la Méditerranée à travers la mer Noire. Une route maritime existe également qui descend de la Mer du Nord à travers la Manche et contourne l’Espagne pour rejoindre la Méditerranée.
Les tombes sous Tumulus des princes et princesses de l’âge du bronze fouillées dans le sud de l’Angleterre et sur les rivages des côtes armoricaines nous ont transmis de fabuleux trésors. L’ambre s’y associe à l’or pour exalter la puissance de leurs propriétaires.
En Grèce, l’ambre de la Baltique arrive vers 1600-1500 avant J-C. Les tombes de cette époque trouvées à Mycènes en contiennent des centaines de perles qui semblent avoir été importées déjà taillées. Peu de temps après, on trouve ce même ambre en Egypte dans les tombeaux royaux. Ce commerce semble avoir été la spécialité des Phéniciens. Il a fallu attendre le 4ème siècle avant J-C pour que Pythéas, grec de la colonie de Marseille, nous donne le récit de son voyage vers les mers de la Baltique où il aurait lesté son navire par des blocs d’ambre.
Les larmes des Héliades.
Dans la mythologie grecque, l’ambre est de nature divine. Ce sont les rayons d’Hélios, dieu du soleil, pétrifiés quand l’astre s’enfonce dans les flots. Ce sont les larmes des Héliades, nymphes mortelles, qui pleurent, chaque soir, la mort de leur frère Phaéton.
Phaéton, fils d’Hélios, avait obtenu la permission de conduire le char du soleil. Hélas, il ne sut pas maîtriser les chevaux ailés de l’attelage. Celui ci se rapprocha de la terre. Des montagnes commencèrent à brûler, des incendies dévastèrent les forêts, la sécheresse gagna de vastes zones qui devinrent des déserts. Zeus, dans sa colère, lança sa foudre sur Phaéton et le fit s’abîmer dans les flots du fleuve Eridan (souvent associé au Pô, l’une des voies d’entrée de l’ambre mais désignant également les mers bordées par le pays des celtes et des germains). Accourues sur les rives du grand fleuve, les Héliades, sœurs de Phaéton, restèrent inconsolables. Les dieux, par compassion, les transformèrent en peupliers pour qu’elles puissent éternellement accompagner de leurs pleurs, la disparition du soleil couchant. Leurs larmes, figées en perles dorées, deviennent la plus belle parure des femmes grecques.
Rubens. Chute de Phaeton
Les noms de l’ambre.
"êlektron", tel est donc le nom qui nous vient des grecs. Pour désigner l’ambre, les latins nous ont transmis le terme de succin (succinum), dérivé de sucus (jus, sève). Le mot "ambre", quant à lui, pourrait provenir d’une suite de traductions malheureuses. Les Arabes désignaient par Haur roumi (peuplier romain) l’arbre dont ils considéraient la sève comme source du succin. Ce mot transformé en "avrum" par les traducteurs latins des auteurs arabes aurait été confondu avec "ambrum" qui désignait l’ambre gris, "anbar" en arabe. L’ambre gris, concrétion odorante qui se forme dans les intestins des cachalots et qui sert en parfumerie, n’a cependant rien de commun avec l’ambre jaune. Seul le nom les confond en français comme en espagnol (ambar) ou en anglais (amber).
L’allemand utilise le mot "bernstein" qui évoque une "pierre qui brûle". Les populations nordiques rencontrées par Pythéas étaient, en effet, réputées pour utiliser l’ambre comme combustible. Les slaves utilisent le mot gentar ou jantar signifiant amulette. Le mot « goularz » du breton armoricain pourrait évoquer la lumière (goulou) et serait, dans ce cas, proche du mythe grec.
Chaque langue exprime, ainsi, l’un des aspects du mythe de l’ambre : celui d’une pierre de soleil ou de lumière, celui d’une pierre qui attire, celui d’une pierre qui protège, celui d’une pierre qui guérit. L’ambre n’a laissé aucun peuple indifférent.
Mais que nous rapportent les auteurs grecs en dehors du mythe ? Peu de choses en vérité. Ils savent, au mieux, que l’ambre attire mais n’indiquent pas toujours qu’il faut d’abord le frotter.
Le phénomène reste donc très superficiellement étudié. Rien n’évoque le début d’une pratique ou d’une réflexion qui s’apparente à un comportement "scientifique". Contrairement à la chimie, qui peut se réclamer d’une tradition remontant aux origines mêmes des civilisations humaines, la science électrique n’a pas de véritable préhistoire.
Le long sommeil de l’ambre.
L’amélioration des transports, alliée à la richesse des gisements, fait perdre progressivement à l’ambre sa valeur marchande. Inévitablement, son caractère « magique » s’en trouve amoindri. Il se prolonge cependant sous la forme des propriétés médicinales qui lui sont attribuées.
Les colliers de perles d’ambre gardent particulièrement toute la faveur des guérisseurs. On trouve couramment dans la littérature académique du 18ème siècle, la mention de colliers portés pour guérir des migraines, des maladies des yeux ou de la gorge. Un ouvrage d’archéologie publié au début du 20ème siècle décrit ces colliers talismans portés par certaines familles bretonnes du Morbihan. L’auteur les imagine issus des tumulus, ces "roches aux fées" ou ces "cavernes du dragon" si souvent visitées par leurs ancêtres.
Un morceau d’ambre est, encore aujourd’hui, donné à mâcher aux enfants des rives de la Baltique pour les soulager des maux de dents. Notre siècle semble être celui où les vieux mythes sont réactivés. L’ambre est revenu au centre d’un commerce qui se pare des vertus de l’ésotérisme. On peut acheter sur internet les colliers qui feront courir aux bébés des risques d’accident que la simple sagesse devrait conduire à éviter.
De l’ambre au succin.
De façon plus académique, l’ambre, sous le nom de succin est à la base d’une foule de remèdes préparés par les apothicaires jusqu’à la fin du 18ème siècle et peut-être même au-delà. On peut l’utiliser sous forme de poudre mais aussi en solution. Témoin cette recette ramenée de Copenhague en 1673 par Thomas Bartholin, correspondant de l’Académie des Sciences de Paris : " faire brûler en cendres du sang et une peau de lièvre dans un vaisseau neuf, la lessive de ces cendres bien chaude dissout, dit-on, le succin qu’on y jette". Un remède préparé avec de tels raffinements devait nécessairement être efficace.
Si l’on en croit la liste des maux qu’il est supposé guérir, le succin serait effectivement une véritable panacée. Une telle universalité ne peut, cependant, qu’alerter un esprit critique. Des médecins scrupuleux la mettent en doute. Par exemple M.J Fothergill, du collège des médecins de Londres qui considère, dans un article publié en 1744, que seul le « préjugé » en a maintenu l’usage en médecine et plaide pour une entreprise d’assainissement de la science médicale : "Si des personnes habiles et expérimentées voulaient consacrer leurs loisirs à nous instruire de l’inefficacité des méthodes et des remèdes semblables à celui-ci, la Médecine serait renfermée dans des bornes plus étroites".
Même si on trouve, encore aujourd’hui, l’acide "succinique" dans la liste de nos produits pharmaceutiques, le succin a certainement un intérêt thérapeutique limité. Par chance, cependant, sa présence prolongée dans les officines des pharmaciens et dans les cabinets des médecins, aura eu le mérite de le sauver de l’oubli.
C’est donc un médecin, William Gilbert qui, au 17ème siècle, saura étudier les propriétés attractives de l’ambre avec le nouveau regard de la science naissante et pourra, mieux que Thalès, prétendre au titre de "premier électricien".
Voici un ouvrage à mettre entre toutes les mains, celles de nos élèves dès les classes de premières S et STI de nos lycées, et entre les mains de tous les futurs enseignants de sciences physiques et de physique appliquée (tant qu’il en reste encore !).
L’auteur est un collègue professeur de sciences physiques, formé à l’histoire des sciences, et formateur des enseignants en sciences dans l’académie de rennes. Bref quelqu’un qui a réfléchi tant à l’histoire de sa discipline qu’à son enseignement et sa didactique, et cela se sent. Le style est fluide et imagé, bref, plaisant au possible...
...voici donc un bon ouvrage permettant de se construire une culture scientifique sans l’âpreté des équations de la physique.
Science et magie semblent deux adversaires irréconciliables. A y regarder de près elles peuvent aussi s’alimenter l’une et l’autre.
L’observation et l’analyse de pratiques magiques aboutit parfois à des découvertes scientifiques.
La magie se colore à son tour du vocabulaire et du prestige de la science pour renforcer et étendre son territoire.
Ce va-et-vient est particulièrement visible dans le domaine de l’électricité et du magnétisme. Nous essaierons de le mettre en lumière à différents moments du développement de ces sciences.
Rien ne destinait Faraday à une carrière scientifique sinon sa soif de connaître. D’origine modeste (son père est forgeron), il quitte l’école à quatorze ans pour entrer comme courtier chez un libraire. Il en profite pour dévorer tous les livres qui passent à sa portée. Sa culture est bientôt remarquée par un client du magasin qui le recommande à Humphry Davy. Celui-ci l’engage comme assistant, en 1813, au laboratoire de la "Royal Institution". Il entre à la "Royal Society" de Londres en 1824 et, l’année suivante, en devient directeur du laboratoire.
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De la chimie à l’électrostatique.
Continuateur de Davy, il établira les lois quantitatives de l’action chimique du courant électrique. Il est d’ailleurs l’auteur du vocabulaire, inspiré du grec, de cette discipline : cathode (électrode de sortie du courant), anode (électrode d’entrée), ion (particule qui se déplace) vers l’anode (anion) ou vers la cathode (cation). Il mesure l’intensité d’un courant électrique en inventant le "voltamètre", électrolyseur dont les électrodes sont coiffées de tubes à gaz gradués. Ses travaux feront avancer les notions d’atome et de poids atomique énoncées plus tard par Dalton. Juste reconnaissance, on donnera le nom de "faraday" à l’unité représentant la charge d’une "mole" d’électrons.
Avide de tout ce qui touche à l’électricité, il en explore l’ensemble des domaines. Par exemple celui de l’électrostatique. Chacun connaît la "cage de Faraday", enceinte conductrice grillagée qui isole des effets électriques. Dans les démonstrations effectuées par les musées scientifiques, le "cobaye humain" enfermé dans la cage ne voit pas sans inquiétude les éclairs dont on le bombarde. Ils lui sont pourtant totalement inoffensifs, apportant ainsi la preuve que la meilleure protection, en temps d’orage, est un habitacle métallique, par exemple celui d’une automobile.
Le nom donné à l’unité de capacité, le "farad" rappelle cet apport à l’électrostatique et à l’étude des "diélectriques" (ce terme, qui désigne les isolants, est également de Faraday).
Faraday et l’électromagnétisme
L’électromagnétisme est, cependant, le domaine où il donne toute la mesure de son talent imaginatif. Sa première publication sur l’électromagnétisme date de septembre 1821. Un an après celle de Ampère. Faraday y montre comment un aimant peut tourner autour d’un courant électrique et inversement comment un élément de circuit électrique peut tourner autour d’un aimant.
Le montage est simple. Dans un vase plein de mercure un aimant droit est à demi immergé verticalement, un pôle sortant légèrement de la surface du liquide. L’autre pôle est relié, par un lien souple, à la base du vase. Un conducteur vertical plonge au centre du vase, à proximité de l’aimant. On y établira un courant électrique en reliant une pile entre son extrémité supérieure et la base du vase contenant le mercure.
Le courant étant établi, si le fil est maintenu fixe, l’aimant tourne autour de celui-ci. Si, à l’inverse, le fil est libéré et l’aimant maintenu fixe, c’est le fil qui tourne autour de l’aimant.
Ces mouvements ininterrompus sont bien autre chose que les brèves attractions et répulsions observées entre aimants ou entre électroaimants.
Ampère sera le premier à noter l’importance du phénomène. Dans une communication à l’Académie des sciences, du 8 avril 1822, sur les nouvelles expériences électro-magnétiques faites par différents physiciens depuis le mois de mars 1821, il souligne les nouveaux progrès de cette branche de la physique dont, dit-il, "nous ne soupçonnions pas même l’existence il y a seulement deux années et qui déjà nous a fait connaître des faits plus étonnants peut-être que tout ce que la science nous avait jusqu’à présent offert de phénomènes merveilleux". Il note, en particulier, l’apport essentiel de l’expérience de Faraday :
"Un mouvement qui se continue toujours dans le même sens, malgré les frottements, malgré la résistance des milieux, et ce mouvement produit par l’action mutuelle de deux corps qui demeurent constamment dans le même état, est un fait sans exemple dans tout ce que nous savions des propriétés que peut offrir la matière inorganique".
Le montage annonce les "moteurs" électriques. Le premier, digne de ce nom, sera imaginé par Barlow en 1822 : une roue dentée dont les pointes plongent dans une cuve de mercure est placée entre les branches d’un aimant en fer à cheval. Quand le courant passe du mercure à l’axe de la roue, elle tourne. La "roue de Barlow" est encore présente dans les collections des laboratoires de la plupart des établissements d’enseignement secondaire.
Roue de Barlow
Du moteur à la génératrice.
Il faut attendre 1831 pour que Faraday fasse l’observation des "courants induits" qui amènera à la construction des premières génératrices.
L’idée est simple : si un courant électrique peut "créer" un aimant, un aimant doit être capable de "créer" un courant.
"Ces considérations, dit-il, l’espoir d’obtenir de l’électricité à partir du magnétisme ordinaire, m’ont stimulé à différents moments pour enquêter expérimentalement sur les effets inductifs des courants électriques. Je suis arrivé tardivement à des effets positifs ; et non seulement mes espoirs ont-ils été remplis, mais j’ai obtenu une clef qui m’a semblé ouvrir l’explication des phénomènes magnétiques d’Arago et aussi de découvrir un nouvel état qui aura probablement une grande influence dans certains des effets les plus importants des courants électriques."
L’expérience d’Arago avait fortement impressionné ses contemporains. Un disque horizontal de cuivre, ou d’un autre métal bon conducteur, mis en rotation, entraînait dans son mouvement une aiguille aimantée placée au dessous.
Les montages utilisés par Faraday pour son "enquête expérimentale" sont d’une étonnante simplicité.
D’abord, il enroule ensemble, sur un même cylindre de bois, deux "hélices" de fil de cuivre. Ces hélices (Ampère dirait solénoïdes) comportent chacune plus de 200 spires conductrices isolées.
La première bobine est reliée aux pôles d’une "batterie voltaïque" comportant dix paires de plaques cuivre/zinc de 10cm environ de côté.
La seconde est reliée à un galvanomètre. Cet instrument, encore rudimentaire, est composé d’une aiguille aimantée montée sur un pivot et placée, en direction nord-sud, dans une bobine de fil conducteur enroulé sur un cadre rectangulaire. Le passage d’un courant dans la bobine peut être repéré, voire mesuré, par la déviation de l’aiguille.
Un courant est établi dans la première bobine. L’électroaimant ainsi créé va-t-il induire un courant dans la seconde ?
L’expérience est un échec. L’aiguille du galvanomètre reste immobile.
Faraday ne renonce pas et utilise, cette fois, une batterie voltaïque de 100 éléments. Le courant attendu n’est toujours pas au rendez-vous mais, remarque Faraday, "quand le courant fut mis, il y eut un soudain et très léger effet au galvanomètre et il y eut de même un léger effet quand le contact a été rompu". Il remarque également que le courant "induit" observé dans la deuxième hélice lors de la fermeture du circuit "inducteur" était inverse de celui observé lors de l’ouverture du circuit.
Pour autant, Faraday n’est pas satisfait : obtenir un si faible effet, par le moyen aussi énergique qu’une batterie de 100 éléments, est véritablement décevant. Il imagine, alors, un montage susceptible de mieux répondre à son attente.
Prendre un anneau de fer doux de deux centimètres de section et de quinze centimètres de diamètre. Sur la moitié de l’anneau une hélice, A, de fil de cuivre de 200 spires est enroulée et reliée à une batterie de 10 plaques. Une autre hélice "secondaire" identique, B, est enroulée sur l’autre moitié et reliée à un galvanomètre.
A la fermeture du circuit "primaire", A, "le galvanomètre, constate Faraday, est immédiatement affecté de façon bien plus intense qu’avec la batterie 10 fois plus puissante utilisée auparavant". Avec la batterie de 100 plaques "l’effet est si grand que l’aiguille du galvanomètre se met à tourner 4 ou 5 fois avant que l’air ou le magnétisme terrestre ne réduise son mouvement à quelques oscillations".
Anneaux et solénoïdes utilisés par Faraday
La dernière expérience est devenue un classique des cours de physique. Elle consiste à utiliser un barreau aimanté et une bobine conductrice : " l’aimant est rapidement plongé dans la bobine, immédiatement l’aiguille est déviée… l’aimant étant retiré, l’aiguille est déviée dans la direction opposée". La même expérience peut être réalisée en utilisant un solénoïde alimenté en courant (un électroaimant) au lieu d’un aimant permanent.
Plus démonstratif encore : le montage de la "roue de Barlow" est repris. La roue de cuivre dont les pointes touchent au mercure et qui est placée entre les branches d’un aimant en U est, cette fois, simplement reliée à un galvanomètre. Quand on lui imprime un mouvement de rotation, un courant permanent est détecté au galvanomètre pendant toute la rotation. Le "moteur" électrique est donc réversible et peut se transformer en une "génératrice" capable de transformer de l’énergie mécanique en énergie électrique.
Comment expliquer ces phénomènes ? Faraday construit progressivement un modèle original.
Lignes de force et champs :
Le concept d’action à distance proposé par Newton ne s’est pas imposé sans mal. Comment imaginer qu’un corps puisse agir là où il n’est pas. Seule la "magie" avait cette prétention. Descartes, rejetant le vide et décrivant l’univers comme une vaste mécanique entraînée par les rouages d’invisibles tourbillons, avait conservé l’adhésion de ceux qui faisaient, d’abord, confiance au sens commun.
Pourtant, l’efficacité mathématique des lois qui en étaient issues, avait imposé le concept d’action à distance, y compris dans le domaine de l’électricité et du magnétisme, avec les lois énoncées par Coulomb et Ampère.
Faraday n’est pas convaincu. Il est déjà difficile d’imaginer que deux corps puissent exercer, l’un sur l’autre, des forces à distance. Que dire alors de courants électriques créés à distance ? Pour Faraday, un lien matériel existe nécessairement entre aimant "inducteur" et courant "induit". Quelque chose agit dans l’espace qui les sépare.
Depuis les observations du Napolitain Giambattista Della Porta (1534-1615) et les schémas qu’en donne Descartes (1664), les physiciens savent réaliser un "spectre magnétique". Une surface lisse, carton ou verre, est placée sur un aimant. On la saupoudre de limaille de fer. Quelques secousses et on fait apparaître le "fantôme" qui hante l’environnement de cet aimant : des faisceaux de lignes semblables à des gerbes de blé : un "champ" magnétique dira Maxwell.
Ces lignes, Faraday les appellera "lignes de force magnétiques". De même des "lignes de force électriques" existent autour des corps chargés d’électricité.
lignes de force électriques entre deux charges opposées
Faraday, nous dit Maxwell, "voyait par les yeux de son esprit, des lignes traversant tout cet espace où les mathématiciens ne considéraient que des centres de forces agissant à distance ; Faraday voyait un milieu où ils ne voyaient rien que la distance ; Faraday cherchait le siège des phénomènes dans des actions réelles, se produisant dans ce milieu, tandis qu’ils se contentaient de l’avoir trouvé dans une puissance d’action à distance particulière aux fluides électriques". (introduction au "Traité d’Electricité et de Magnétisme. Maxwell. 1873)
Ces "lignes de force" (avec Maxwell, nous disons aujourd’hui "lignes de champ") ont, pour Faraday, des propriétés physiques concrètes et observables.
Par exemple, celles du champ électrique. De toute charge électrique positive, Faraday "voit" partir une ligne de champ qui rejoint nécessairement, quelque part, une charge électrique négative équivalente. Les propriétés de ces lignes de champ expliquent les actions et mouvements observés.
Elles expliquent l’attraction : Ces lignes de champ sont élastiques et soumises à une "tension" longitudinale. Tendues comme un ressort, elles auront tendance à rapprocher les charges électriques, de signe contraire, placées à leur extrémité.
Elles expliquent la répulsion : les lignes de champ issues d’une même charge électrique ou d’une charge de même nature se repoussent latéralement.
Elles s’écartent de la charge ponctuelle qui les produit. Elles écartent, également, l’un de l’autre deux corps portant des charges identiques.
Elles s’accordent, aussi, avec la loi mathématique d’action à distance : les lignes de champ sont plus denses à proximité d’un corps chargé, c’est pourquoi le corps qui s’y trouve placé sera soumis à un nombre plus grand de lignes de forces et donc plus fortement attiré ou repoussé.
La loi de Faraday.
Les champs magnétiques sont eux mêmes constitués de lignes de force reliant deux pôles opposés. Tendues dans leur longueur elles se repoussent également latéralement.
Mais leurs propriétés sont bien plus spectaculaires. Si elles sont "coupées" par un conducteur mobile, à l’image des tiges d’un champ de blé tranchées par la lame d’une faux, une "force électromotrice induite" se crée dans le conducteur qui les coupe et provoque la circulation d’un courant dans celui-ci.
Pour être plus précis : la quantité d’électricité qui traverse ce conducteur est proportionnelle au nombre de lignes de champ coupées.
Ou encore :
l’intensité du courant électrique est proportionnelle au nombre de lignes de champ coupées par unité de temps.
C’est la "loi de Faraday" qui deviendra loi de "Faraday-Lenz" quand Lenz aura fait observer que le sens de ce courant induit "est tel que, par ses effets, il s’oppose à la cause qui lui donne naissance". Nouvelle illustration du principe "d’action et de réaction".
Les techniciens et les ingénieurs qui s’emploieront bientôt à construire les génératrices et les moteurs du nouvel âge de la civilisation industrielle, devront beaucoup à cette vision matérielle des champs magnétiques. Ils sauront trouver les matériaux et inventer les formes des "pièces polaires" capables d’amplifier, de multiplier et de canaliser ces lignes de champ. De les rendre parallèles, divergentes où convergentes suivant l’effet recherché.
Mais quel est l’engrenage qui lie, ainsi, lignes de champ magnétique et courant électrique ? Quels mouvements, quelles ondulations animent ces champs ? C’est ce que cherchera à établir Maxwell.
Maxwell (1831-1879), la mise en équations.
James Clerk Maxwell est le descendant d’une famille noble d’Écosse. Il fait ses études à Edimbourg puis au Trinity college de Cambridge. Il enseigne ensuite à Aberdeen et à Londres avant de se retirer pendant six ans dans son domaine écossais où, dans la solitude, il rédige son "grand œuvre" : le "Traité d’électricité et de magnétisme".
En 1871 il revient à la vie universitaire comme professeur de physique expérimentale à Cambridge où il crée le "Cavendish Laboratory", future pépinière de savants. Il n’a que quarante huit ans quand il meurt d’un cancer intestinal. Il laisse, cependant, un héritage inestimable à la Physique. Einstein, Plank, entre autres, le reconnaîtront comme leur précurseur.
James Clerk Maxwell a 23 ans quand, à l’issue de ses études, il débute dans l’étude de l’électricité. Comment ne pas être enthousiasmé en découvrant le territoire ouvert par Œrsted, Ampère, Laplace, Lens… et, surtout, Faraday !
"Je résolus, dit-il, en abordant l’étude de l’électricité, de n’étudier aucun traité mathématique sur ce sujet, avant d’avoir entièrement lu les "Experimental Researches on Electricity" de Faraday".
Il est fasciné par le côté visionnaire de l’œuvre de Faraday qu’il oppose aux froides théories des "mathématiciens de profession", adeptes de Newton et des actions à distance :
"Ce fut peut-être un avantage pour la science, dit-il, que Faraday, bien qu’ayant une parfaite connaissance des notions fondamentales de temps, d’espace et de force, n’ait pas été un mathématicien de profession. Il n’était pas tenté de s’engager dans les nombreuses et intéressantes recherches de mathématiques pures, qu’auraient suggérées ses découvertes si elles avaient été présentées sous une forme mathématique, et il ne se sentait pas porté à imposer à ses résultats une forme qui répondît au goût mathématique de l’époque ou à les exprimer sous une forme qui permît aux mécaniciens de les aborder. Mais il se garda ainsi le loisir de faire son travail personnel, d’accorder ses idées avec ses observations et d’exprimer sa pensée dans un langage ordinaire et non technique."
Maxwell est, lui, un mathématicien averti, en particulier dans tout ce qui concerne la récente mécanique des fluides. Il souhaite adapter l’œuvre de Faraday au "goût mathématique" de ses contemporains :
"C’est surtout dans l’espoir de faire de ces idées la base d’une méthode mathématique que j’ai entrepris ce traité.", écrira-t-il dans son "Traité de l’Electricité et du Magnétisme", œuvre majeure qu’il publiera en 1873.
Sa première "mise en mathématique" du modèle de Faraday, se concrétise à l’occasion d’un mémoire qu’il lit en février 1856 devant la "Société Philosophique de Cambridge", sous le titre "On Faraday’s lines of force". Il en adresse un exemplaire à Faraday.
Celui-ci lui répond. "J’ai reçu votre Mémoire et vous en remercie beaucoup ; je ne dis pas que je vous remercie personnellement pour ce que vous avez dit des lignes de force, parce que je sais que vous l’avez fait dans l’intérêt de la vérité philosophique, mais vous devez supposer que cela m’est agréable et m’encourage beaucoup à penser. J’ai été tout d’abord effrayé de voir concentrer sur ce sujet une telle puissance mathématique, puis émerveillé de le voir si bien supporter cette épreuve.".
Passage de témoin d’un physicien de 65 ans, au sommet de sa carrière, à son jeune collègue de 26 ans.
Voici un ouvrage à mettre entre toutes les mains, celles de nos élèves dès les classes de premières S et STI de nos lycées, et entre les mains de tous les futurs enseignants de sciences physiques et de physique appliquée (tant qu’il en reste encore !).
L’auteur est un collègue professeur de sciences physiques, formé à l’histoire des sciences, et formateur des enseignants en sciences dans l’académie de rennes. Bref quelqu’un qui a réfléchi tant à l’histoire de sa
discipline qu’à son enseignement et sa didactique, et cela se sent. Le style est fluide et imagé, bref, plaisant au possible...
...voici donc un bon ouvrage permettant de se construire une culture scientifique sans l’âpreté des équations de la physique.
L’électricité est la science qui a le plus fort développement à la fin du 19ème siècle.
Les articles publiés par "La Nature" sont d’un intérêt majeur pour suivre les progrès de cette science et de cette technique.
Le Conservatoire numérique des Arts & Métiersa constitué une bibliothèque numérique consacrée à l’histoire des sciences et des techniques, constituée à partir du fonds ancien de la bibliothèque du CNAM.
Nous y avons relevé les articles consacrés à l’électricité pour un passionnant voyages à travers le développement de cette science et de cette technique dans le dernier quart du 19ème siècle.
L’énergie électrique d’abord produite et consommée "sur place" commence à se distribuer dans les rues, les théatres, les grands magasins, les immeubles d’habitation... à partir de la fin des années 1870.
Se pose alors la question de son mode de production et de diffusion : par courant continu ou par courant alternatif ?
Les premiers générateurs de courant : piles et accumulateurs.
1800 est une date de première importance dans l’histoire de l’électricité. C’est l’année où Volta présente le premier générateur de courant continu : la pile.
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", Leclanché 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.
Une remarque cependant : pour "charger" un accumulateur il faut une source puissante de courant continu. C’est la mise au point par Gramme de la première génératrice à courant continu, et celles des autres constructeurs qui suivront son exemple, qui permet cette charge.
La machine Gramme, première génératrice à courant continu.
En 1820 Oersted découvre l’action d’un courant électrique sur un aimant. Peu de temps après Ampère et Arago mettent au point l’électroaimant avant que Faraday découvre l’induction électrique en 1831.
Il est alors possible de produire un courant électrique en faisant tourner un aimant devant une spire conductrice ou bobine de fil conducteur reliée à un circuit extérieur.
Mais ce courant est un courant alternatif. Le sens du courant varie en fonction du pôle qui passe devant la bobine.
Or les premières applications industrielles du courant électrique concernent le courant continu. Parmi celles ci la dorure, l’argenture et galvanoplastie dont l’un des plus grands ateliers est celui du bijoutier Christofle.
Parmi les employés de l’atelier Christofle se trouve un technicien d’origine belge particulièrement habile, Zénobe Gramme. Une génératrice à courant continu serait particulièrement utile dans cet atelier pour remplacer les piles dégageant des vapeurs corrosives.
La Machine Gramme devient une puissante génératrice capable, en particulier, d’alimenter les premières lampes à arc de l’éclairage urbain. Elle sera sérieusement concurrencée par la génératrice de Edison
Machine Gramme à courant continu.
La première distribution électrique par courant continu de Edison à New-York
Lors de l’exposition internationale d’électricité de 1881 à Paris, Edison présentait un ensemble complet : ses lampes à incandescence et la génératrice capable d’alimenter 1000 lampes consommant une intensité de 0,7 A sous une tension de 100 volts.
En 1882, Edison choisit de lancer une première distribution électrique à New-York, en plein quartier d’affaires. Dans un premier temps la centrale, installée dans le district de Wall-Street, alimente 12 000 lampes et doit être rapidement agrandie.
La centrale électrique est installée dans un bâtiment de quatre étages qui était occupée par des bureaux et dont la structure doit être renforcée pour supporter les machines.
Douze génératrices sont actionnées par des machines à vapeur. Chacune peut alimenter 1200 lampes d’une puissance de 75W sous une tension de 100V.
La première centrale électrique Edison à New-York.
La centrale vue de la rue.
Système d’éclairage Edison
Alternatif contre continu aux États Unis. Tesla contre Edison.
En 1882, à Paris, Nicolas Tesla, jeune ingénieur d’origine Austro hongroise travaille pour la Continental Edison company. Très vite remarqué pour ses capacités et déçu du peu d’intérêt européen pour ses travaux, il accepte l’invitation d’Edison pour venir travailler aux USA.
Le système de courant continu de Edison a de sérieux problèmes : un pourcentage de perte significatif, la nécessité de câble volumineux, une centrale tous les deux miles etc... On ne compte plus le nombre de pannes et d’incendies dans le réseau new yorkais.
Dès ses années parisiennes Tesla avait imaginé la distribution par courant alternatif, d’autant plus qu’il avait inventé un moteur fonctionnant au courant alternatif. Avantage de ce système : la possibilité de transformateurs et donc celle de limiter les pertes en ligne par des courants à haute tension. La tension étant ensuite ramenée à une valeur d’usage par des transformateurs appropriés.
L’obstination de Edison provoque la rupture avec Tesla. Ce dernier est recruté par Georges Westinghouse en 1986 qui lui rachète ses brevets. Dès lors commence une "guerre des courants" qui est finalement gagnée par Westinghouse en 1893 quand sa compagnie obtient du gouvernement américain le contrat d’installation de la distribution électrique sur tout le territoire.
A Paris
En 1878, l’exposition universelle, est l’occasion d’une démonstration d’éclairage électrique par lampes à arc de l’avenue de l’Opéra avec des bougies JABLOCHKOFF.
Pour l’alimentation des lampes à arc, le courant continu présente un inconvénient. Les deux charbons ne s’usent pas à la même vitesse ce qui nécessite une installation complexe. Cet inconvénient est évité avec le courant alternatif c’est pourquoi Jablochkoff souhaitait utiliser le courant alternatif pour l’alimentation de ses lampes.
Or il se trouvait que, avant de proposer une machine a courant continu, difficile à réaliser, Gramme avait déjà fait breveter une vingtaine de génératrices à courant alternatif. La revue La Nature de 1879 décrit une machine déjà bien élaborée et dont le modèle est proche des alternateurs actuels.
Un rotor central porte huit noyaux aimantés constitués d’électroaimants alimentés en courant continu par une petite génératrice annexe. Ils tournent devant huit bobines conductrices logées dans l’armature de fer de la génératrice.
Machine Gramme à courant alternatif 1879
Coupe de l’alternateur Gramme, rotor et stator.
Quelques installations privées, de magasins ou de théâtres, assurent leur propre production.
Une usine au Palais Royal, une autre au Faubourg Montmartre, ont un réseau composé de canalisations passant sur les toits des immeubles.
station électrique de l’hippodrome équipée d’alternateurs Gramme.
Au Louvre, des machines Gramme disposées dans le sous-sol alimentent 80 foyers de lumière constitués par des lampes à arc électrique de type Jablochkoff. Les utilisateurs mettent en valeur l’absence de chaleur et de gaz nocifs dégagés. Par ailleurs la lumière n’altère pas les nuances des couleurs des tissus présentés.
A l’hippodrome, comme au Louvre, le succès d’une première installation modeste, provoque sont extension et la construction d’une centrale électrique.
La Place du Carrousel est éclairée pour l’exposition de 1881, le Parc Monceau en 1882, l’Hôtel de Ville en 1883, le Parc des Buttes Chaumont en 1884.
L’incendie de l’Opéra Comique en 1887, éclairé au gaz, a pour conséquence d’interdire ce mode d’éclairage dans les salles de spectacles.
L’alternatif et les transformateurs.
Nous avons déjà relevé l’intérêt du courant alternatif pour l’éclairage par lampes à arc. Les lampes à incandescence sont également parfaitement adaptées à une alimentation en alternatif. Le problème est que ces deux types de lampes ne fonctionnent pas de la même façon.
Les lampes à arc demandent une tension relativement élevée mais consomment un faible courant, les lampes à incandescence une basse tension (généralement 100 volts) mais une forte intensité.
La nécessité de transformateurs devient rapidement évidente. D’autant plus que se pose le problème de la distribution : de fortes intensités dans les lignes sont causes de fortes pertes sous forme de chaleur. La solution réside dans une distribution sous haute tension et, à puissance égale, de faible intensité.
Le courant alternatif semble présenter quelques avantages mais faut-il le généraliser alors que les premières installations ont surtout été réalisées sur la base du courant continu ? Tans qu’il ne s’agira que d’alimenter les quartiers à partir de centrales dispersées dans la ville, le choix ne s’imposera pas. Le problème se posera par contre avec la distribution à longue distance.
Alternatif contre continu en France. Gaulard contre Deprez.
A l’occasion de l’exposition internationale de 1881, l’ingénieur Marcel Deprezexpose à Adolphe Cochery, ministre des Postes et Télégraphes, ses idées sur le transport électrique à grande distance. Il fait le choix du transport du courant continu et est soutenu dans sa démarche par les banquiers Rothschild. Après plusieurs essais non satisfaisants il fait l’essai public du transport de la "force" électrique sur une distance de 56 km entre la station de Creil et la gare de la Chapelle en s’imposant un rendement de 50%.
Le système fonctionnait en 1885 avec un rendement compris entre 40% et 45%. Malgré les éloges de la commission constituée de 38 prestigieux savants chargée de contrôler les résultats : " Au nom de la science et de l’industrie, la Commission adresse ses chaleureuses félicitations à M. Marcel Duprez pour les admirables résultats qu’il a obtenus et exprime à M. de Roytschild sa vive reconnaissance pour l’inépuisable générosité avec laquelle il a doté cette gigantesque entreprise.", l’expérience est loin d’être une réussite. En fait elle annonçait la fin des projets de distribution de l’électricité sur de grandes distances par courant continu.
En effet, cette expérience avait, entre autres objectifs, celui de répondre à Lucien Gaulard, associé à John Dixon Gibbs, qui avait expérimenté en Angleterre la, transmission par courant alternatif sous une tension de 2000 volts et sur une distance de 40 km avec un rendement affiché de 90%.
Face au doute suscité par cette annonce parmi les électriciens continentaux, Gibbs avait décidé de concourir au prix institué par le gouvernement italien pour le meilleur système de transport de l’électricité à distance à l’occasion de l’exposition d’électricité de 1884 à Turin. Son expérience menée sur une distance de 80 km entre Lanzo et Turin avait été une réussite et le prix lui avait été attribué.
Une première expérience de distribution de l’électricité par courant alternatif était signalée à Tours en 1886.
usine électrique de Tours.
En France comme aux USA l’alternatif prouvait sa meilleure efficacité. Pourtant les deux système devaient cohabiter pendant plusieurs années. En particulier à Paris.
La distribution électrique à Paris. Alternatif et continu
En 1888, le Conseil Municipal de PARIS, avec la perspective de l’Exposition Universelle de 1889 et sous la pression de l’opinion publique, décide la création d’un réseau de distribution d’électricité.
L’organisation retenue consiste à diviser PARIS en parties désignées sous le nom de secteurs. Les « secteurs électriques parisiens » prennent naissance, et c’est à cette époque que remontent les concessions successivement accordées par la Ville à six sociétés qui ont assuré l’exploitation de l’électricité jusqu’en 1908, date à laquelle la concession est confiée à l’Union des Secteurs (la ville exploitant de son côté un réseau dans le quartier des Halles).
Une distribution mixte, alternatif-continu
Dans chaque secteur, le type de distribution était différent :
* Cie CONTINENTALE EDISON : courant continuà 2 x 110V, distribué par feeders 3 fils.
* Sté d’ECLAIRAGE ET DE FORCE PAR L’ELECTRICITE A PARIS : Courant continu 110V 2 fils.
* Cie VICTOR POPP(ultérieurement Cie PARISIENNE DE L’AIR COMPRIME) : courant continu 4x110V par réseau 5 fils.
* Sté d’ECLAIRAGE ELECTRIQUE DU SECTEUR DE LA PLACE CLICHY : courant continu 4x110V par réseau 5 fils.
* Sté CHARLES MILDE FILS ET Cie (ultérieurement Cie d’ECLAIRAGE ELECTRIQUE DU SECTEUR DES CHAMPS-ELYSEES) : courant alternatif à haute tension (3000V), abaissée à 110V par un transformateur dans chaque immeuble.
* Cie ELECTRIQUE DU SECTEUR DE LA RIVE GAUCHE : courant alternatif mêmes caractéristiques que le secteur des CHAMPS-ELYSEES.
Le regroupement par la Compagnie Parisienne de Distribution d’Électricité (CPDE) et les zones de réseaux
En 1907, à l’expiration des concessions, une convention municipale assure le rassemblement des distributions (l’Union des Secteurs) dans le but de préparer la création d’un organisme unique, la Compagnie Parisienne de Distribution d’Électricité (C.P.D.E.) à la fin de 1913.
Le 31décembre 1913, la distribution d’électricité est confiée par la Ville à la Compagnie Parisienne de Distribution d’Electricité(CPDE), jusqu’à la nationalisation.
Les réseaux de distribution établis par les premiers secteurs se modifient conformément au programme technique imposé par le concessionnaire :
* production du courant primaire par deux centrales : l’usine Nord à SAINT-OUEN, l’usine Sud à Issy-les-Moulineaux (courant diphasé12300V - 42 périodes).
* distribution par sous-stations et centres de couplages,
* trois zones sont retenues pour réduire les anciens systèmes :
o une zone à courant continu cinq fils et trois fils, La distribution en continu est maintenue dans le centre de Paris, car elle est bien adaptée à la densité de puissance et aux besoins de force motrice, et le côut de transformation en alternatif des équipements existants a été jugé prohibitif (en bleu et en jaune).
o une zone à courant alternatif monophasé 3 kV,
o une zone à courant alternatif diphasé 5 fils. Dans le Nord et l’Est de Paris, jusque la peu électrifiés, un réseau alternatif diphasé est construit. Ce R.Z.D., réseau de la zone diphasée, conserve la notion de maillage Basse Tension, déja existante pour le continu, et qui sera ensuite généralisée à l’ensemble des futurs réseaux de Paris.
Les zones de la CPDE
D’importantes décisions sont prises de 1918 à 1930 :
* passage de la fréquence 42 à 50Hz (réalisé de 1925 à 1928)
* arrêt du courant continu par création de postes d’immeubles et d’un réseau alternatif basse-tension, le Réseau Alternatif Complémentaire (RAC, en rose)
* raccordement au réseau d’interconnexion général.
1930-1939 Développement des réseaux diphasés
Le réseau continu est progressivement remplacé par un réseau alternatif diphasé. Il en persistera cependant une partie jusqu’en 1968.
A la nationalisation de 1946, la CPDE est remplacée par le Centre de Distribution de Paris-Électricité (C.D.P.E.)
Au début des années 1960, il est décidé la transition vers une distribution triphasée, qui est devenue la norme des réseaux modernes.
Voici un ouvrage à mettre entre toutes les mains, celles de nos élèves dès les classes de premières S et STI de nos lycées, et entre les mains de tous les futurs enseignants de sciences physiques et de physique appliquée (tant qu’il en reste encore !).
L’auteur est un collègue professeur de sciences physiques, formé à l’histoire des sciences, et formateur des enseignants en sciences dans l’académie de rennes. Bref quelqu’un qui a réfléchi tant à l’histoire de sa discipline qu’à son enseignement et sa didactique, et cela se sent. Le style est fluide et imagé, bref plaisant au possible...
...voici donc un bon ouvrage permettant de se construire une culture scientifique sans l’âpreté des équations de la physique.
Suivre le parcours de l’oxygène depuis les grimoires des alchimistes jusqu’aux laboratoires des chimistes, avant qu’il n’investisse notre environnement quotidien.
Aujourd’hui, les formules chimiques O2, H2O, CO2,… se sont échappées des traités de chimie et des livres scolaires pour se mêler au vocabulaire de notre quotidien. Parmi eux, l’oxygène, à la fois symbole de vie et nouvel élixir de jouvence, a résolument quitté les laboratoires des chimistes pour devenir source d’inspiration poétique, picturale, musicale et objet de nouveaux mythes.
À travers cette histoire de l’oxygène, foisonnante de récits qui se côtoient, s’opposent et se mêlent, l’auteur présente une chimie avant les formules et les équations, et montre qu’elle n’est pas seulement affaire de laboratoires et d’industrie, mais élément à part entière de la culture humaine.
Plus tard, ce sera encore un physicien landernéen qui sera l’observateur de la première expérience de paratonnerre menée à Marly dans la région parisienne.
Un coup de tonnerre historique.
L’auteur du premier article est André-François Boureau Deslandes (1690-1757).
Né à Pondichéry en 1690, il vient en France à l’âge de 13 ans. En octobre 1708 il est nommé contrôleur de la marine à Brest puis commissaire de la marine en 1716.
Nous retiendrons ici le scientifique, reçu élève géomètre à l’Académie des sciences en février 1712, membre de l’Académie des sciences de Berlin et auteur de plusieurs ouvrages scientifiques, en particulier sur la marine.
Malgré une oeuvre considérable, c’est le plus souvent par sa modique contribution à l’observation du tonnerre, qu’il se retrouve dans différentes études.
La foudre a toujours terrorisé ou fasciné. Dans les religions antiques elle est le symbole de la puissance des dieux et l’instrument effrayant de leur justice. La tradition se maintient dans les cultes plus récents. Au siècle des lumières encore, on se préserve de la foudre en faisant sonner les cloches aux clochers des églises.
En témoigne la relation du coup de tonnerre qui frappe le Nord-Finistère en ce début de 18ème siècle.
Nous sommes en avril de l’année 1718. A.F Boureau Deslandes est alors à Brest. Après plusieurs jours de pluie et d’orage, un coup de tonnerre extraordinaire ébranle toute la région. Il en rend compte à l’Académie des sciences qui publie un résumé de sa lettre.
"...enfin vint cette nuit du 14 au 15 qui se passa presque toute en éclairs très vifs, très fréquents et presque sans intervalle. Des matelots qui étaient partis de Landerneau dans une petite barque, éblouis par ces feux continuels, et ne pouvant plus gouverner, se laissèrent aller au hasard sur un point de la côte, qui par bonheur se trouva saine. A quatre heures du matin, il fit trois coups de tonnerre si horribles que les plus hardis frémirent.
Environ à cette même heure, et dans l’espace de côte qui s’étend depuis Landerneau jusqu’à Saint Paul de Léon, le tonnerre tomba sur 24 églises et précisément sur des églises où on sonnait pour l’écarter. Des églises voisines où on ne sonnait point furent épargnées.
Le peuple s’en prenait à ce que ce jour là était celui du Vendredi Saint où il n’est pas permis de sonner. Mr Deslandes en conclut que les cloches qui peuvent écarter un tonnerre éloigné, facilitent la chute de celui qui est proche, et à peu près vertical, parce que l’ébranlement qu’elles communiquent à l’air dispose la nue à s’ouvrir.
Il eut la curiosité d’aller à Gouesnou, village à une lieue et demie de Brest, dont l’église avait été entièrement détruite par ce même tonnerre. On avait vu trois globes de feu de trois pieds et demi de diamètre chacun, qui s’étant réunis avaient pris leur route vers l’église d’un cours très rapide. Ce gros tourbillon de flamme la perça à deux pieds au-dessus du rez de chaussée, sans casser les vitres d’une grande fenêtre peu éloignée, tua dans l’instant deux personnes de quatre qui sonnaient, et fit sauter les murailles et le toit de l’église comme aurait fait une mine, de sorte que les pierres étaient semées confusément alentour, quelques-unes lancées à 26 toises, d’autres enfoncées en terre de plus de deux pieds.
Des deux hommes qui sonnaient dans ce moment là, et qui ne furent pas tués sur le champ, il en restait un que Monsieur Deslandes vit. Il avait encore l’air tout égaré, et ne pouvait parler sans frémir de tout son corps. On l’avait retrouvé plus de quatre heures après enseveli sous les ruines et sans connaissance. Mr Deslandes n’en put tirer autre chose sinon qu’il avait vu tout d’un coup l’église toute en feu et qu’elle tomba en même temps. Son compagnon de fortune avait survécu 7 jours à l’accident, sans avoir aucune contusion, et sans se plaindre d’aucun mal que d’une soif ardente qu’il ne pouvait éteindre."
Chacun se fait de la Foudre une image adaptée à sa culture. L’homme du peuple ne peut douter qu’il s’agisse d’une manifestation divine. Le lettré imagine une accumulation dans les nuages de matières inflammables. On notera, cependant, que l’utilité de sonner les cloches, malgré la preuve évidente du danger, n’est absolument pas mise en doute. Ni par la population qui explique l’échec par le sacrilège commis un Vendredi Saint. Ni par le "savant" qui continue à considérer qu’un tonnerre éloigné aurait été écarté par les cloches.
Jusqu’à la fin du siècle, malgré les vigoureuses campagnes des autorités et l’interdiction régulièrement rappelée de sonner les cloches les jours d’orage, la pratique se poursuivra accompagnée de son cortège d’accidents.
Guillaume Mazéas, un électricien landernéen au siècle de Franklin.
Une trentaine d’années s’est écoulée et le tonnerre attend encore son explication. A Paris un opuscule traduit de l’anglais rend compte d’expériences réalisées par un inconnu habitant les colonies d’Amérique. Pour la, première fois, le nom de Franklin est prononcé dans le milieu des savants européens.
Le texte tombe entre les mains du naturaliste Buffon qui demande au physicien Dalibard, membre de l’Académie des Sciences, d’en reprendre la traduction un peu bâclée et qui les publie.
L’introduction révèle à elle seule un talent "médiatique" chez les rédacteurs :
"Un Quaker confiné dans un coin de l’Amérique, vient de démontrer à tous les savants de notre hémisphère que les phénomènes les plus beaux et les plus frappants de l’électricité leur avaient échappé et qu’ils étaient bien éloignés d’avoir assez d’observations pour hasarder des systèmes. Il est surprenant qu’une matière tant de fois rebattue paraisse presque neuve entre ses mains. M. Franklin ne se contente pas de publier des expériences et des observations détachées ; il donne en même temps des vues si grandes et si étendues qu’elles nous font espérer de parvenir un jour à dévoiler un mystère qui importe plus à notre utilité qu’on ne se l’imagine ordinairement". (le Journal des Savants - mai 1752).
Ces deux savants ont alors l’idée d’une excellente campagne publicitaire. Ils chargent l’un de leurs amis, M. Delor, qui exploite un "cabinet de physique" place de l’Estrapade à Paris, d’organiser des séances publiques (et payantes) au cours desquelles sont présentées les fameuses "Expériences de Philadelphie".
Le succès est foudroyant : on les répète dans les cabinets particuliers, on s’arrache le livret de Franklin. Paris et la France entière découvrent subitement des merveilles jusqu’alors confinées dans les salons de la noblesse et de la riche bourgeoisie. Franklin apparaît comme le seul inventeur de toute la science électrique.
Le roi lui-même souhaite voir ces merveilles et bientôt la haute société parisienne se presse à St-Germain dans la maison de campagne que Monsieur le Duc d’Ayen a mise à la disposition de M. Delor pour sa présentation. Sa Majesté applaudit, c’est un triomphe.
Le succès rend hardi, la décision est prise de tenter le diable et, pour la première fois, de capter la foudre !
Un coup de tonnerre dans le ciel parisien.
On trouve rarement dans les délibérations de l’Académie Royale des Sciences, un compte-rendu aussi vivant et aussi enthousiaste que celui lu le 13 mai 1752. M. Dalibard, le metteur en scène de l’expérience, y décrit l’évènement survenu trois jours plus tôt à Marly-la-ville. Dans un lieu écarté de cette commune, une longue tige a été dressée, conformément aux indications de Franklin. Elle est isolée du sol et terminée par une pointe de fer d’où descend un fil de laiton...
"Le mercredi 10 mai 1752, entre deux et trois heures de l’après-midi, le nommé Coiffier, ancien dragon, que j’avais chargé de faire les observations en mon absence, ayant entendu un coup de tonnerre assez fort, vole aussitôt à la machine, prend la fiole (une bouteille de Leyde qu’il souhaite charger) avec le fil d’archal, présente le tenon du fil à la verge, en voit sortir une petite étincelle brillante, et en entend le pétillement ; il tire une étincelle plus forte que la première et avec plus de bruit ! Il appelle ses voisins et envoie chercher M. le prieur.
Celui-ci accourt de toutes ses forces ; les paroissiens voyant la précipitation de leur curé, s’imaginent que le pauvre Coiffier a été tué du tonnerre ; l’alarme se répand dans le village : la grêle qui survient n’empêche pas le troupeau de suivre son pasteur. Cet honnête ecclésiastique arrive près de la machine, et voyant qu’il n’y avait point de danger, met lui-même la main à l’œuvre et tire de fortes étincelles.
La nuée d’orage et de grêle ne fut qu’une demi-heure à passer au zénith de notre machine, et l’on n’entendit que ce seul coup de tonnerre. Sitôt que le nuage fût passé et qu’on ne tira plus d’étincelles de la verge de fer, M. le prieur de Marly fit partir le sieur Coiffier lui-même, pour m’apporter la lettre suivante, qu’il m’écrivit à la hâte..."
Le récit du prieur laisse planer un doute, n’y aurait-t-il pas quelque chose de diabolique là-dessous ?
"En revenant de chez Coiffier j’ai rencontré Monsieur le Vicaire, Monsieur de Millet et le maître d’école, à qui j’ai rapporté ce qui venait d’arriver : ils se sont plaints tous les trois qu’ils sentaient une odeur de soufre qui les frappait davantage à mesure qu’ils approchaient de moi : j’ai rapporté chez moi la même odeur, et mes domestiques s’en sont aperçus sans que je leur ait rien dit.".
Expérience de Marly
(Les Merveilles de la Science)
Une semaine plus tard M. Delor reprend cette expérience à Paris.
Parmi les assistants se trouve un jeune physicien, Guillaume Mazéas, originaire de Landerneau en Bretagne. Bibliothécaire de la Maison de Noailles, il s’occupe en particulier des collections scientifiques que le duc de Noailles et son fils le duc d’Ayen entretiennent.
Il se trouve, également, être le correspondant de Stephen Hales célèbre scientifique britannique et membre actif de la Société Royale de Londres. G. Mazéas perçoit immédiatement l’importance de l’évènement et en informe sans tarder la respectable société anglaise :
"Cette expérience nous fait conjecturer qu’une barre de fer placée sur un endroit élevé, et posée sur un corps électrique pourrait attirer l’orage et dépouiller le nuage de toute la foudre qu’il contient ; je ne doute pas que la Société Royale ne charge quelques-uns de ses membres de bien vérifier ces expériences et de pousser cette analogie encore plus loin..."
A Paris la fièvre expérimentale ne s’est pas apaisée. On attend les orages avec impatience pour expérimenter des dispositifs nouveaux.
Dans une lettre du 14 juin, Guillaume Mazéas décrit celui qui a été utilisé une semaine plus tôt : une perche de bois de trente pieds (environ dix mètres) de hauteur est dressée. A l’extrémité de la tige, un tube de verre isolant est suivi d’un long tuyau de fer blanc qui supporte une pointe de fer d’environ 6 pieds (deux mètres). De la pointe de fer part un fil de laiton qui descend jusque dans l’intérieur de la maison.
Les assistants peuvent alors commodément approcher les mains ou tout autre objet de l’extrémité du fil. Avec un tel dispositif, on ne s’étonne pas de sentir une certaine inquiétude parmi les spectateurs :
"Dès les premiers coups de tonnerre, nous sentîmes les commotions de la matière électrique ; on tira des étincelles et il y eut des temps où les commotions étaient si fortes qu’elles étaient accompagnées d’une douleur très vive ; je suis même persuadé que si le tuyau de fer blanc avait eu le triple ou le quadruple de surface on n’aurait point impunément touché la barre de fer... La crainte qui s’empara de plusieurs dames qui étaient présentes empêcha de continuer et on fut même obligé d’ôter la barre et tout l’appareil"
L’imprudence de ces premiers expérimentateurs est sans bornes. Guillaume Mazéas est l’un des plus intrépides. Le 29 juin, il adresse un nouveau courrier à Londres. Un orage a éclaté le 26, une perche a été dressée :
"Le fil d’archal qui pendait à l’extrémité de cette perche entrait dans ma chambre et de là dans un corridor de 30 pieds de long ; le magasin de l’électricité était dans ma chambre, et le fil de fer venait encore s’y rendre après plusieurs détours. J’avais tellement disposé ce fil, que sans quitter mon lit si l’orage arrivait la nuit, ou sans quitter mon travail, s’il arrivait le jour, je pouvais observer tout ce que je m’étais proposé.".
Et Guillaume Mazéas d’imaginer toutes sortes d’expériences, y compris de tuer des animaux en utilisant la foudre captée et tout cela "sans sortir de sa chambre et même étant au lit".
Deux lettres encore : le 12 juillet de Saint-Germain-en-Laye, le 29 août de Paris. Celle-ci, sera la dernière de la saison : "Comme l’année commence à tendre vers sa fin, je crois que ces observations seront les dernières pour 1752, époque qui sera toujours bien célèbre pour les amateurs de l’électricité".
Guillaume Mazéas : montage pour étudier la foudre "même la nuit étant au lit"
(Abbé Nollet, Lettres sur l’électricité, Paris, Guérin frères, 1753)
Ce sont en tout cinq lettres qui seront ainsi adressées par Guillaume Mazéas à la Royal Society. Celle-ci ne restera pas, cette fois, indifférente. La première lettre du 20 mai sera lue en séance publique dès le 28 mai, les suivantes lors de la séance du 23 novembre. Publiées, elles constitueront la relation quasi officielle des évènements survenus en France. Dans le même numéro des "Philosophical Transactions" on trouvera, sur le même sujet, une lettre de l’abbé Nollet qui n’aura pas su devancer son jeune collègue ainsi que le compte rendu de la même expérience faite à Berlin. Enfin, une lettre de Franklin lui-même, décrivant le fameux cerf-volant souvent présenté comme le premier paratonnerre.
"De Philadelphie, le 19 octobre 1752.
Comme il est souvent fait mention dans les nouvelles publiques d’Europe du succès de l’expérience de Philadelphie, pour tirer le feu électrique des nuages par le moyen de verges de fer pointues élevées sur le haut des bâtiments, etc... les curieux ne seront peut-être pas fâchés d’apprendre que la même expérience a réussi à Philadelphie, quoique faite d’une manière différente et plus facile, voici comment.
Faites une petite croix de deux minces attelles de sapin, ayant les bras de longueur suffisante pour atteindre aux quatre coins d’un grand mouchoir de soie bien tendu, liez les coins de ce mouchoir aux extrémités de la croix : cela vous fait le corps d’un cerf-volant, en y adaptant une queue, une bride et une ficelle il s’élèvera en l’air comme ceux qui sont faits de papier ; mais celui-ci étant de soie, est plus propre à résister au vent et à la pluie d’un orage, sans se déchirer. Il faut attacher au sommet du montant de la croix un fil d’archal très pointu qui s’élève d’un pied au moins au-dessus du bois.
Au bout de la ficelle, près de la main, il faut nouer un cordon ou un ruban de soie et attacher une clef à l’endroit où la ficelle et la soie se rejoignent.
Expérience de Franklin
(Les Merveilles de la Science)
Il faut élever ce cerf-volant lorsqu’on est menacé de tonnerre, et la personne qui tient la corde doit être en dedans d’une porte ou d’une fenêtre, ou sous quelque abri, en sorte que le ruban ne puisse pas être mouillé, et l’on prendra garde que la ficelle ne touche pas les bords de la porte ou de la fenêtre. Aussitôt que quelques parties de la nuée orageuse viendront à passer sur le cerf-volant, le fil d’archal pointu en tirera le feu électrique, et le cerf-volant avec la ficelle sera électrisé ; les filandres lâches de la ficelle se dresseront en dehors de tous côtés et seront attirés par l’approche du doigt. Et quand la pluie aura mouillé le cerf-volant et la ficelle, de façon qu’ils puissent conduire librement le feu électrique, vous trouverez qu’il s’élancera en abondance de la clef à l’approche de votre doigt. On peut charger la bouteille à cette clef, enflammer les liqueurs spiritueuses avec le feu ainsi ramassé, et faire toutes les autres expériences électriques qu’on fait ordinairement avec le secours d’un globe, ou d’un tube de verre frotté. Et par ce moyen l’identité de la matière électrique avec celle de la foudre est complètement démontrée."
La lettre de Mazéas voisine ce texte dans les œuvres complètes de Franklin, hommage rendu à celui qui, le premier, avait su faire connaître sa découverte.
Émanation, fluide, particule, onde… quelle est l’identité de cette chose insaisissable mais bien présente dont la quête remonte à vingt-cinq siècles et dont la réalité nous échappe dès qu’on pense l’avoir cernée ?
Au fil d’un récit imagé – celui d’une succession de phénomènes généralement discrets qui, sous le regard d’observateurs avertis, débouchèrent sur des applications spectaculaires – nous croiserons des dizaines de savants, d’inventeurs et de chercheurs dont les noms nous sont déjà familiers : d’Ampère à Watt et de Thalès de Milet à Pierre et Marie Curie, ce sont aussi Volta et Hertz, Ohm et Joule, Franklin et Bell, Galvani et Siemens ou Edison et Marconi qui, entre autres, viennent peupler cette aventure.
On y verra l’ambre conduire au paratonnerre, les contractions d’une cuisse de grenouille déboucher sur la pile électrique, l’action d’un courant sur une boussole annoncer : le téléphone, les ondes hertziennes et les moteurs électriques, ou encore la lumière emplissant un tube à vide produire le rayonnement cathodique. Bien entendu, les rayons X et la radioactivité sont aussi de la partie.
De découvertes heureuses en expériences dramatiques, l’électricité reste une force naturelle qui n’a pas fini de susciter des recherches et de soulever des passions.
La découverte du paratonnerre illustrée par le landernéen Yannn Dargent.
Jean-Édouard dit Yann Dargent est né en 1824, il est le fils de Clémentine Robée et de Claude Dargent, une famille de tanneurs. Il n’a que deux ans quand sa mère décède, son père déménage à Landerneau où il ne tarde pas à se remarier, l’enfant est élevé par ses grands-parents. Il est scolarisé à Saint-Pol-de-Léon avant de rejoindre son père à Landerneau. L’un de ses amis d’enfance est le poète et folkloriste François-Marie Luzel.
À 16 ans, en 1840, il entre à la Compagnie de l’Ouest qui doit construire la ligne de chemins de fer entre Morlaix et Brest, il est chargé de faire des relevés topographiques. Ses dons pour le dessin le font gravir les échelons de la hiérarchie, et il occupe le poste d’ingénieur. Il fait la connaissance d’un professeur de dessin à Troyes, M. Schitz, qui l’engage à développer ses talents. Considéré comme autodidacte, il n’a jamais fait partie d’une « École » comme Sérusier et tant d’autres, ce qui a pu nuire à sa carrière.
En 1850, il est pressenti par la Compagnie de l’Ouest pour la réalisation d’un chantier en Espagne, il préfère donner sa démission et tenter de vivre de sa peinture en déménageant à Paris. Cette même année, sa compagne Aimée Crignou donne naissance à un fils, Ernest.
Durant les années 1850, il poursuit sa production artistique et expose tous les ans au Salon de Paris, sans que son talent soit reconnu.
Il lui faut attendre 1861 pour que Théophile Gautier apprécie Les Lavandières de la nuit (aujourd’hui au musée des beaux-arts de Quimper) et en fasse un article élogieux. Sa renommée est faite.
Parallèlement à sa carrière de peintre, il s’adonne, comme son ami Gustave Doré, à l’illustration de livres (au total environ 200), ce qui lui procure une rémunération plus régulière que la vente de toiles. Il travaille aussi pour des revues telles que le Musée des familles ou La France illustrée.
Son talent d’illustrateur est reconnu par Louis Figuier, vulgarisateur scientifique, qui lui confie de nombreuses planches de son œuvre majeure : "Les Merveilles de la science". Les dessins de Yann Dargent sont facilement remarqués parmi ceux des autres illustrateurs de l’ouvrage. Les personnages y sont mis en scène d’une façon dynamique qui annonce la bande dessinée.
Il meurt le 19 novembre 1899 à Paris. Un musée lui est consacré dans sa ville natale de Saint-Servais.
Nous présentons ici quelques unes de ses planches illustrant la découverte du paratonnerre.
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.
Initiée par Adolphe Cochery (1819-1900), ministre des Postes et Télégraphes, 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.
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 :
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 disposées 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. (voir aussi)
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 da 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", Leclanché 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.
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 1979 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
L’inauguration de l’opéra en 1875 : la lumière électrique mais le gaz est encore très présent.
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 uns 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.
Machine à coudre électrique
Le spécialiste des 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 exposé en 1881 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 héro des temps modernes, dans un vaisseau du ciel, sorte d’hélicoptère dont la forêt d’hélices étaient actionnée par des moteurs électriques.
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 dune 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.
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.
Premiers transformateurs.
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 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 moins 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 la solution 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.
Premier compteur 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 (voir).
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 (voir). Celui-ci teste des tensions inférieures à celles proposées. Un veau de 57kg se relève après un choc administré par une tension de
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 Niépce en 1807 à un moment où ils qui 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.
"Nos jeunes collègues en électricité ignorerons toujours les vicissitudes par les quelles nous avons passé pour leur ouvrir la voie si vaste du domaine électrique et frayer un petit sentier qui aujourd’hui encore commence à peine à devenir un grand chemin."
Voici un ouvrage à mettre entre toutes les mains, celles de nos élèves dès les classes de premières S et STI de nos lycées, et entre les mains de tous les futurs enseignants de sciences physiques et de physique appliquée (tant qu’il en reste encore !).
L’auteur est un collègue professeur de sciences physiques, formé à l’histoire des sciences, et formateur des enseignants en sciences dans l’académie de rennes. Bref quelqu’un qui a réfléchi tant à l’histoire de sa discipline qu’à son enseignement et sa didactique, et cela se sent.
Le style est fluide et imagé, bref plaisant au possible...
...voici donc un bon ouvrage permettant de se construire une culture scientifique sans l’âpreté des équations de la physique.
To take advantage of the first international exhibition on electricity held in Paris in 1881, it was decided that an international congress of "electricians" would be held during the exhibition.
This meeting was not just a friendly get-together. It was of paramount importance that an international system of electrical units be set up.
The day when the electricians gave birth to a universal language.
As any beginner in physical sciences would know : each physical "quantity" is necessarily linked up with its unit. In the field of electricity, the ampere, the volt, the watt are so commonplace that anyone who has changed an electric bulb or a fuse is familiar with these terms. This applies to the vast majority of people living on this planet whatever their standard of education.
Now, the question is : when, where and how these units were defined.
The decimal metric system.
The creation of the decimal system is not actually all that old. One name stood out at the time : Lavoisier. According to Lavoisier, only a decimal system would enable chemists of different nationalities to communicate together and, more generally : scientists, craftsmen, traders and professionals whose activities required a measurement system.
In his "Traité élémentaire de chimie", (Elements of chemistry), published in 1789, Lavoisier strongly advocated such a system. He had already calculated conversion tables and had had scales fitted with boxes of decimal masses. Lavoisier was a member of the committee appointed by the revolutionary authorities to create a decimal model of measures. However before achieving his mission Lavoisier was arrested and guillotined.
On April 7th 1795 (18 germinal de l’an III), the metre and the gramme became the republican units of measure, and the decimal system was established. Greek prefixes, "déca", "hecto", "kilo" were chosen for multiples and latin prefixes "déci", "centi", "milli" for submultiples. This system was to become, as Lavoisier had wished, a true universal language.
Let’s come back to measures and electrical units.
In order to take a measurement, it is necessary to define a quantity (intensity, tension, etc... ) and to conceive a reliable instrument to measure it.
Throughout the XVIIIth century, various devices with straw, wire, gold leaf... were made to estimate tension or electrical charge. They were considered as "electroscopes" rather than "electrometres" as it was impossible, at this time, to compare two measures carried out with different instruments.
The discovery of the electrical battery in 1800, then, of electromagnetism in 1820 made way, at last, for a study of electricity through measures. A quantity of electricity could now be properly measured through electrolyse by considering the volume of gas that emanated from the electrode or the mass of metal which settled on it. Later on, the intensity of a current would be assessed through its action on a magnetic needle or on another electrical circuit.
Throughout the XIXth century, engines, generators, lighting devices, were developed on an industrial scale. All this activity prospered thanks to a strict means of measure. It now demanded common standards. Instruments of measure were conceived and at the same time units were discussed. Initiatives were, at first, dispersed until harmonization was felt necessary.
UK in the lead.
In this field, the UK was well ahead of other European countries. Since 1863 the British Association for the advancement of science had established a unit system that was partially accepted internationally under the name : "System of the British Association" or BA System (for British Association).
Through this system British scientists were determined to rank electricity among academic sciences. The mechanic science was, as the time, the model. Electrical units should therefore be deducted from the three basic units in mechanics : the metre, the gramme, the second.
In 1873, William Thomson (who was to become Lord Kelvin) suggested that the metre be replaced by the centimetre more suited for measuring volumic masses. The system was then known as the CGS system. Let us make a point here on the "clear-sightedness" and intellectual courage of British "electricians" who accepted the centimetre and the gramme, both continental and revolutionary measures, in a country so proud of its insular traditions.
In 1875, the "metre convention", signed by diplomats of seventeen states, gave this document its official character. At the same time the "General Convention for Weights and Measures" (GCWM) and the "International Bureau of Weights and Measures" (IBWM) were created. Their head office was based at the "Pavillon of Breteuil" in Sevres near Paris.
Beside the theorical CGS system, the British Association defined a system of practical unit in which the unit of resistance was called "ohm", the unit of electromotive force "volt" and the unit of intensity "weber". This was a tribute paid to three scientists who contributed to the advancement of electric science. These three units were linked by the formula "I = E/R " which translated the relation established by Ohm between the tension of the resistance terminals and the intensity of the current passing through it. One weber is, consequently, the intensity of the current that circulates in a resistance of one ohm under the action of an electromotive force of one volt.
Both France and Germany use resistance, voltage and intensity as basic concepts. In the two countries though, the units are primarily considered as standards adapted to the work of their own engineers. Electricians do not speak one single language.
Before 1881 : there were different national systems.
Units of resistance.
In the UK we have already noted the choice, by the British Society, of a theorical unit, a practical unit and standards. Let’s be more precise in the matter.
The theorical unit : There is a problem with the coexistence of two possible theorical systems : the electrostatic system and the electromagnetic system (cf : how to build a coherent system of electrical units). For practical reasons in connection with industrial applications, it was the CGS electromagnetic system which was chosen. In this system the resistance had the dimension of speed. Its theorical unit was therefore the cm/s.
The practical unit : The value of the CGS theorical unit (cm/s) corresponded to a very low resistance. The British Association, therefore, selected a practical unit more convenient to measure ordinary resistances. It corresponded to 10 million metres per second (109 CGS units). It was then called ohm. It is to be remembered that 10 million metres correspond to a quarter of the length of the earth meridian, the universal value which is used to define the metre.
The standards : Once this practical unit was defined, standards had to be made. These were made from metallic resistances deposited in London. Maxwell, who was in charge of the committee, was tasked to determine these standards, describing them as "made of an alloy of two parts of silver and one of platinum in the form of wires from 5 millimetres to 8 millimetres diameter, and from one two metres in length. These wires were soldered to stout copper electrodes. The wire itself was covered with two layers of silk, imbedded in solid parafin, and enclosed in a thin brass case, so that it can be easily brought to a temperature at which its resistance is accurately one Ohm. This temperature is marked on the insulating support of the coil." (See Fig. 27.)".
In France, one calculates in kilometres of resistance. This unit, established by Breguet with the telegraphists in mind, was represented by the resistance of a telegraphic wire 4 millimetres in diametre and one thousand metres long. This unit was approximately worth 10 ohms. Standards were made but their values depended largely on the quality of the iron used.
In Germany they used the Siemens unit (SU symbol) which is the resistance of a mercury column, one metre long and one square millimetre in section. Its value is approximately 0,9536 ohm.
Units of electromotive force.
The CGS unit of electromotive force (which should be cm3/2.g1/2.s-2 ) has a very low value too. The British Association chose, therefore, as their practical unit of electromotive, the volt, which has a value of 108 CGS units. It is, more or less, represented by the electromotive force of the Daniell cell. Let’s bear in mind that this cell developped by Daniell, in 1836, had a copper electrode immersed into a saturated solution of copper sulphate associated with a zinc electrode immersed into a solution of zinc sulphate. This "impolarisable" cell had a constant f.e.m of 1,079 volt. The Daniell battery was a standard reference in France and Germany.
Intensity units.
The practical unit of the British Association is the weber, intensity of a current crossing a resistance of one ohm with an electromotive force of one volt between its extremities. Its value corresponds to 0,1 CGS units (the CGS unit being cm1/2.g1/2.s-1 ).
This unit is very convenient for it gives us a tool to write the whole range of current intensities used in industry. At the very bottom of the scale, the intensity of phone currents is only a few microwebers and that of the telegraphic currents is a few milliwebers. At the other end of the scale the currents produced by the "Gramme machines" oscillate between twenty to thirty webers or the currents which "feed" the plating tanks can reach values up to one hundred webers.
The electromagnetic appliances used to measure currents were spreading. They were graduated according to their purpose in webers or milliwebers. In normal use, a current of one weber deposits 1,19 grammes of copper per hour on the cathode of a copper sulphate electrolyser.
In Germany the intensity unit was the one that crosses a siemens resistance linked to the terminals of a Daniell battery. It has a value of 1,16 weber.
France did not make a definite choice. The British and the German units were references but the traditional galvanometer was also used : an electrolyser was inserted in the circuit, and the intensity of the current was expressed in cm3 of gas emitted per minute at the terminals of a sulphuric acid electrolyser or in grammes of copper deposited per hour onto the cathode of a copper sulphate electrolyser.
It was obvious that a common language was necessary. That was the objective set to the first congress of "electricians"" in Paris.
1881 : first international congress of electricians, first International system.
The congress was held under the patronage of Adolphe Cochery, the postmaster general, who wanted it to be a major international event. The presidency was carried out by Jean Baptiste Dumas, a chemist. The 250 delegates came from 28 different countries. Scientists and engineers, such as the famous William Thomson (who was to be made Lord Kelvin), Tyndall, Crookes, Helmholtz, Kirchhoff, Siemens, Mach, Gramme, Rowland, Becquerel, Fizeau, Planté, Lord Rayleigh, gathered together for the first time.
One subject to be dealt with as a priority was the electrical units and standards. An opposition existed between the British scientists who, with the CGS system, wanted to place the electrical units in the theorical scope of mechanics and the German engineers who wanted practical standards.
The French physicist Eleuthère Mascart who acted as the secretary of the congress gave us a picture of what the backstage was like.
"The congress, he said, had set up a committee on electrical units with lots of members who met on September 16th and 17th 1881. The first session boiled down to a general statement of principles. In the second, the question was more closely dealt with. The point was to know whether the units would be based on a logical system or would it be possible to accept, in particular for the measurement of resistances, the arbitrary unit known as "Siemens Unit".
The discussion proved to be difficult and confused ; propositions and objections came "out of the blue", especially from persons who were not aware of the importance of the resolutions to be achieved. Mr Dumas, who chaired the commitee with admirable tact and authority, interrupted the debate telling the audience that it was late (4.30 a.m) and that a new meeting would be held later.
On the Saturday night, as I walked out of the premises with our chairman, I told him : "My dear Professor, I think the whole affair isn’t working properly" – "I am convinced, he said, that we aren’t going to come to a resolution and you gathered, I suppose, why I interrupted the session". I can’t remember what we talked about afterwards.
The next day, in the morning, I met, on the Solferino bridge, William Siemens who asked me if Lord Kelvin (called Sir William Thomson at the time) had called upon me, adding that I was invited to dinner to try and reach an agreement. I immediately walked back home and found Lord Kelvin’s card with the words : "Hôtel Chatham, 6.30" written on it.
I was, as expected, on time for the appointment. There, I was confronted, in a small waiting lounge, with an impressive panel : Lord Kelvin, William Siemens, from the UK, then Von Helmholz, Clausius, Kirchhoff, Wiedemann and Werner Siemens. The discussion started again and, after much hesitation, Werner Siemens ultimately accepted the proposed solution provided that the system of measure would be established "for practical use". I accepted readily this qualification and wrote down with a pencil, on the piano, the text of the convention.
The system of measures for practical use was based on CGS electromagnetic units.
The ohm and the volt were defined and an international commission was left in charge of fixing the size of the column representing the ohm.
A great weight off my mind, I dined heartily and after the meal, on my way back, I rang the bell at Mr Dumas’s notwithstanding that it was already 10.30 p.m. He was in the living-room surrounded by his family and my first words were : "The agreement on electrical units has been made". I’ll never forget the true elation felt by Mr Dumas on hearing a piece of news he was far from expecting.
If the unit system finally came into existence it must be credited, firstly, to the authority of Mr Dumas whose remarkable talent commanded respect and prevented the discussion from turning into offensive words, secondly, to the influence on Werner Siemens of his brother William Siemens who lived among British scientific circles bound by the initiative of the British Association.
We were looking forward to submitting these proposals to the congress at the general session on Tuesday September 10th, but in the meantime we were informed of the death of President Garfield, so the meeting was immediately postponed as a mark of mourning.
As we only disposed of two units, the ohm and the volt and, as it was necessary to complete the system, I asked President Cochery if, at least, the committee could meet. I was compelled to accept his refusal so we stayed with Von Helmholtz by Lord an Lady Kelvin who, as they hadn’t had lunch, were dining at the restaurant Chiboust by the congress hall. It was, with this restrained committee, around a plain table in white marble, that were agreed upon the three following units : ampère (instead of weber), coulomb and farad. I was to read the text the following day September 21st at the general session. Quite a number of members of the commission, who had not heard about the Saturday session, were slightly surprised but the comments of Lord Kelvin and Von Helmholtz were straight and convincing. The practical system of units was founded".
At the end of the congress Jean Baptiste Dumas delivered a speech revealing his utter satisfaction.
"The agreement was obtained through a unanimous decision. You have connected on the one hand, the absolute electrical units to the metric system by adopting for the bases, the centimetre, the mass of the gramme and the second and, on the other hand, you have created practical units closer to the "grandeurs" which we were used to considering in practice. In so doing you have connected them through solid links to absolute units. The system is now fully-fledged".
A noticeable success.
The report of this session can be read in the French review "La Nature" (second semestre p.282). "The work of the congress could be considered as completed on Saturday September 24th. Only four general sessions had been necessary and, among them, only three had been focused on the study of questions on the agenda".
The conclusions of the congress could be summed up in seven points :
1° The CGS system was adopted.
2° The resistance unit will be designed by the name ohm with a value of 108 CGS unit.
3° The practical resistance unit (ohm) will be constituted by a column of mercury with one square millimetre section at the temperature of 0° centigrade.
4° An international committee will determine the length of the column of mercury representing one ohm.
5° The unit of current intensity will be called "ampere" : the current intensity generated by one volt in one ohm.
6° The quantity of electricity unit will be called "coulomb" or quantity of electricity produced by the current of one ampere for one second (according to the relation Q=I.t).
7° The capacity unit will be the "farad" defined by the condition that "one coulomb in one farad produces one volt" (according to the relation Q/C = V)
Ampère and Coulomb, as citizens of the inviting country, were honoured with the choice of their names for intensity and charge units. Weber was left aside but... the congress congratulated him on the fiftieth anniversary of his first entry at the university of Göttingen. His name will be later given to the magnetic flux unit.
This new way of attributing names of famous scientists to units was emphasized through JB Dumas in a somewhat lyrical closing speach of the congress.
"The British Association had the bright idea of naming these different units after scientists to whom we owe the main discoveries which gave birth to modern electricity. You carried on in the same way and from now on, the names of Coulomb, Volta, Ampère, Ohm and Faraday will be tightly linked to daily applications of the doctrines they successfully conceived. The industry, getting used to repeating daily these names, worthy of century-long veneration, will testify to the gratitude the whole mankind owes to these enlightened spirits".
A new fashion was born : scientific vulgarization came to public notice in museums, international exhibitions, reviews superbly illustrated, in particular those dealing with electricity, in France : L’Electricité (1876), La Lumière électrique (1879), L’Electricien (1881). The scientist had become a character to be popularized.
The decision to give the names of scientific celebrities to units wasn’t unanimous. During the 1889 congress, Marcelin Berthelot deplored it : "Poncelet, Ampere, Watt, Volta, Ohm are now roots of names that, for most of them, don’t have any necessary or immediate connection with the men who made them known. The contrast, he added, is striking with the mainly impersonal nature of the scientific nomenclature some eighty years back". Moreover, he forecasted, "It’s to be feared that the next century, through the strength of the momentum and the modifications of sciences, will abandon this terminology".
Yet, the names of Kelvin, Hertz, Siemens, Tesla, Henry and many others will join the list of units in the following decades. The name of Ampère will even appear on the list of the four fundamental units of our present International system.
The next episode of the congress of 1881 : the joule, the watt...
In 1882, the British Association, made a proposition for energy and power units. The CGS system had already got a work unit, the erg (1 erg = 981 g.cm2.s-1) deduced from a force unit, the dyne (1 dyne : 981 g.cm.s-2) and a power unit : the erg/s.
For the practical unit of energy it was suggested to call "joule" the "coulomb.volt", in use previously. The British electricians considered Joule (1818-1889) as a member of their community. His first scientific works in 1838 dealt with magnetism and, in his early twenties, he discovered the "magnetic saturation" that is to say the limit value reached through the "magnetization" of a steel magnetic core excited by a magnetic field.
In 1842 he discovered the law that bears his name : it relates the calorific energy, W, emitted during a set time, t, by a resistance R crossed by a current I. A law which can be written as follows : W = R.I2.t. He was only in his mid twenties at the time and he would now on concentrate on etablishing the relation showing the direct transformation of mechanical work into heat.
For power, the Association proposed the "watt" instead of the "ampere.volt". In so doing, it encroached upon the field of "mechanicians" among whom Watt was a distinguished member.
The conversion with the work and power units used by the "mechanicians" were as follows :
1 kilogrammettre = 9,81 joules.
1 horsepower = 736 watts.
In 1884, the "international conference for determination of electrical units" met in Paris. It fixed the value of the ohm : resistance of a column of mercury of one square millimetre in section and 106 cm in length at the temperature of melting ice. Standards will be made.
The ampere was defined as the current whose absolute value was 0,1 CGS electromagnetic unit.
The volt was the electromotive force which "supported" a one ampere current in a conductor whose resistance was the legal ohm.
In 1889 the international congress of electricians came back to Paris during the international exhibition. The joule and the watt were confirmed as energy and power units. The kilowatt was accepted in replacement of horse power for the power measure of electric engines.
In a slightly challenging way, the congress of electricians invited the congress of "mechanicians", that was held at the same time to abandon the "horse power" and adopt the CGS system and to clarify the notions of "force" and "work" too often mixed up in mechanicians’ texts.
Outdistanced "mechanicians"
The "mechanicians" accepted to clarify the notions of force and work and decided that :
. The word "force" would only be used, henceforth, as a synonym for effort.
. The word "work" would designate the product of a force by the distance that its point of application covers in its own direction.
. The word "power" would exclusively be used to designate the quotient of a work by the time used to produce it.
Yet they wouldn’t abandon their own units, as outdated as they might appear, to their electrician colleagues :
. The unit of force remains the kilogrammeforce (weight in Paris of a mass of one kilogramme).
. The unit of work is the kilogrammetre (work of a force of one kilogrammeforce which moves its application point of one metre in its direction).
. The unit of power is left to one’s own choice : the horse-power of 75 kilogrammetres per second and the "poncelet" of 100 kilogrammetres per second.
The word energy is kept in the language as a very convenient generalization including the similar different forms : work, kinetic force, heat. There isn’t any special unit for energy considered in general : it is numerically valued according to circumstances by means of the joule, the kilogrammetre, the calory etc...
The stubborness of the mechanicians would compel French secondary school students to go on learning, up to the sixties, that a force is expressed in "kilogrammeforce", a weight in "kilogrammepoids", a work in "killogrammetre" and mechanic power in "cheval-vapeur".
The governments of the countries taking part in this international meeting were represented and the decisions would have the force of international law. The units already chosen were confirmed and clarified.
. The international ohm will be defined, in a practical way, by a column of mercury one square millimetre in section, 106,3 cm long and of a mass of 14,4521 gramme.
. The international ampere will be the current that will deposit 0,00118 grammes of silver par second on the cathode of a silver nitrate electrolyser.
. The international volt will be the electromotive force corresponding to 1000/1434 of a Clark battery, a "depolarizer battery" which at this time had replaced the Daniell battery.
. The joule and the watt were confirmed.
The host country was not forgotten. The henry was accepted as the international unit of measure of the magnetic inductance of an electric circuit.
On 1893, the congress of electricians in Chicago.
On the way to the MKSA system.
The British electricians, and in particular Maxwell, had felt the necessity, as soon as the eighteen sixties, to complete the CGS system with a specific unit of electricity as an electric charge unit or a unit of current intensity.
We must notice that two competing systems, one coming from electrostatics and the law of Coulomb and the other from electromagnetism and the law of Laplace, give different dimensions for the units.
In the electromagnetic system, for instance, the resistance has the dimension of a speed (it’s expressed by the quotient of a length L by a time T). In the electrostatic system the resistance has the dimension of the reverse of a speed (quotient of a time T by a length L).
Likewise, all the units of charge (quantity), intensity (current), tension (potential), capacity... have different dimensions in the two systems. It’s to be observed, as well, that the ratio between the dimensions of the electric magnitudes in each system involved a "C" speed, a remark whose importance had already been mentioned in the Maxwell theory.
The CGS system which had been created exclusively from the electromagnetic system was ill-adapted to the electrostatic system.
In 1901 the Italian electrical engineer Giovanni Giorgi suggested a solution aimed at reconciling these two systems which ultimately lead to the choice of the ampere as the basic electrical unit, the metre as the unit of length and the second as the unit of time. For masses, even though the prefixe kilo is not proper to designate a unit, it was the kilogramme which was chosen (one more scar inherited from the living past of sciences).
This system was given the name of Giorgi system or MKSA system. In 1906 was created the "International Electrotechnical Commission" (IEC) with one specific mission : normalization of the system of measures to be used for industrial electricity. The MKSA system wasn’t finally accepted by the International Commitee of Weights and Measures until 1946.
In 1948, the general conference of weights and measures proposed the newton as the force unit (a force which could give to a mass of one kg an acceleration of one metre/s2. The mechanic and electrical units were finally unified.
The joule which was, up to then, defined as the energy produced, for one second, by a current of one ampere conveyed through a resistance of one ohm, corresponds, as well, to the work of a force of one newton moving its point of application of one metre in its direction.
Dans le domaine de l’électricité, l’ampère, le volt, le watt sont d’une telle banalité que chacun, ayant un jour remplacé une ampoule ou un fusible, connaît au moins leur nom. Et ceci, où que cette personne habite sur la planète et quel que soit son niveau d’instruction. A chaque grandeur physique doit en effet être associée une unité. Mais quand, où et comment ces unités ont-elles été définies ?
L'exposition internationale d'électricité.
Voir l’ensemble du dossier sur le site Ampère CRHST/CNRS
Quand les électriciens font naître un langage universel
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 boites 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".
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, 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."
La naissance de l’ohm, de l’ampère, du coulomb, du farad.
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 :
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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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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