La découverte de l'électricité

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On parle depuis quelques temps déjà de faire des économies d'électricité, comment on la produit, etc... Mais comment dame électricité a été découverte... Elle qui a révolutionné nos modes de vie...

Ce sujet devrait vous "éclairer"... et s'adresse surtout aux plus jeunes d'entre-nous !

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600 avant JC : l'enquête débute sur les bords de la mer Egée, il y a 2600 ans.

Le philosophe mathématicien Thalès de Millet (celui du fameux théorème) observe que l'ambre, lorsqu'il est frotté avec un tissu, attire les poussières en suspension dans l'air. Thalès pense qu'un souffle de vie anime cet "étrange " caillou jaune. Pour les philosophes grecs, en effet, le vent est non seulement le moteur de la vie, mais il explique aussi tous les mouvements de l'Univers : la course du Soleil comme l'alternance des saisons, le galop du cheval comme le vol de l'aigle. Les surprenantes propriétés de l'ambre ne sont qu'un cas particulier de ce principe général. Voir le dossier sur l'ambre.

1600 : Pendant 2000 ans, l'étrange pouvoir d'attraction de l'ambre n'intéresse plus grand monde. Les investigations reprennent à la fin du 16ème siècle avec le médecin personnel de la reine Elisabeth 1er, William Gilbert. Notre homme découvre que d'autres matériaux tels que le verre, le diamant ou l'alun attirent eux aussi, lorsqu'ils sont frottés, les plumes, la paille, la poussière, ... . Gilbert nomme cette force d'attraction à distance "électricité", d'après le mot grec êlektron, qui veut dire ambre jaune.

1706 : Dans la seconde moitié du 17ème siècle, des sociétés savantes se créent un peu partout en Europe. A Londres, la Royal Society organise, pour un public curieux, des séances de physique amusante. Un certain Francis Hauksbee, fabricant d'instruments scientifiques, est nommé en 1703 au poste de démonstrateur. Il découvre qu'une boule de verre émet de la lumière et attire les objets légers lorsqu'elle est mise en rotation et frottée. L'attraction est alors si forte que les poils se dressent au voisinage du verre ! Voila une expérience qui va plaire ! Pour la rendre plus spectaculaire encore, Hauksbee construit une machine où la boule de verre est entraînée à grande vitesse à l'aide d'une manivelle et d'un disque démultiplicateur : c'est le premier générateur d'électricité.

Une machine à fabriquer l'électricité

1729 : Un spectateur attentif assiste aux démonstrations de Hauksbee : Stephen Gray. Ce teinturier passe des heures à tester les propriétés électriques de différents matériaux. Avec les métaux , il essuie échec sur échec. Il a beau les frotter avec la dernière énergie, ils refusent obstinément d'attirer les objets. En revanche, un morceau de fer appliqué sur la machine de Hauksbee s'électrifie instantanément. Le "fluide électrique" peut donc se transmettre. Et même assez loin : Gray parvient à électriser une boule d'ivoire à 250 m de distance à l'aide d'une corde de chanvre. Une seule condition pour réussir : choisir les bons matériaux. Car si les métaux, l'eau et le corps humain conduisent bien l'électricité, par exemple, d'autres (le verre, l'huile ou la résine), au contraire, ne la laissent pas passer. Seuls ces derniers, remarque Gray, peuvent être électrisés par frottement.

1733 : En tant que chimiste adjoint à l'Académie des sciences de Paris, Charles Du Fay a vent des travaux de Gray. Pressentant que les phénomènes électriques sont un domaine de recherche prometteur, Du Fay se lance, à partir de 1733, dans une série d'expériences. Il montre d'abord que les métaux peuvent être aussi électrisés par frottement, à condition de les placer sur un support qui les isole de la terre.

Mais, surtout, Du Fay découvre deux sortes d'électricité. Lorsqu'il laisse tomber une feuille d'or très légère sur un tube de verre qu'il a préalablement frotté, celle-ci rebondit sur le tube pour se stabiliser en l'air à 15 cm de distance. S'il approche un bâton de résine, la feuille est attirée et se colle aussitôt à son extrémité. Ces deux électricités, qu'il qualifie de "vitrée" et "résineuse" s'attirent l'une l'autre, mais se repoussent lorsqu'elles sont identiques.

1745 : Dans la bonne société de l'époque, les expériences scientifiques sont une source inépuisable de divertissement : en se faisant électriser, un marquis peut mettre le feu à une cuillère d'alcool avec son doigt ou, plus rigolo encore, tuer une mouche en un éclair ! Chacun veut tâter de l'électricité. Dans la ville hollandaise de Leyde, un respectable magistrat, Andreas Cuneus, s'amuse à charger une bouteille remplie d'eau avec une machine de Hauksbee. Il a l'imprudence de poser les doigts sur la tige métallique qui a servi à électriser le récipient. Horreur ! Il est soudain cloué au sol par une violente douleur qui lui secoue affreusement le corps.

La bouteille qui secoue...

1747 : Un ami de Cuneus, le professeur Petrus Van Musschenbroek, a l'audace de refaire l'expérience. Il en ressort traumatisé : même pour le trône de France, affirme-t-il, il ne s'exposerait à cette terrible souffrance ! A Paris, la bouteille de Leyde suscite immédiatement la curiosité de l'Abbé Nollet, une des sommités scientifiques de l'époque. Et pour cause : la bouteille semble accumuler et conserver le fluide électrique plusieurs jours durant ! Pour quelle raison ? Mystère. La nature même du "fluide"est énigmatique. Nollet, comme Gilbert et Gray avant lui, pense que des effluves invisibles se déversent des objets électrisés. Ils seraient responsables des phénomènes de répulsion entre les corps. La force d'attraction, quant à elle, serait due à de l'air qui pénètre dans les objets électrisés et les recharge ainsi en effluves répulsifs.

1749 : L'interprétation exacte de l'expérience de Cuneus et Musschenbroek sera donnée par un imprimeur américain, Benjamin Franklin. Entre temps, en effet, la bouteille de Leyde a franchi l'Atlantique et remporte là bas le même succès qu'en Europe. Franklin pense qu'il y a, à l'intérieur de la bouteille, un trop plein d'électricité qui, à travers le verre, repousse le fluide électrique à l'extérieur du récipient.

Arbitrairement, il symbolise ce déséquilibre, avec un signe pour l'extérieur de la bouteille et un signe - pour l'intérieur. Lorsqu'on pose la main sur la tige métallique, on crée une passerelle. Le trop plein de fluide électrique se propage dans le corps humain pour aller compenser le déficit à l'extérieur de la bouteille. Ce transfert de fluide s'accompagne d'une secousse très douloureuse. Les explications de Franklin ne lui vaudront que quolibets.

Cette même année, le savant américain adresse une lettre à la Royal Society de Londres dans laquelle il assimile la foudre à une décharge électrique. Cette lettre ne suscite que les rires des physiciens britanniques mais Franklin ne va pas tarder à prendre sa revanche.

1752 : Pour prouver que la foudre est bien une décharge électrique entre le ciel et la terre, il propose de capter, avec une longue pointe métallique, l'électricité qu'il suppose emplir l'atmosphère les jours d'orage. Son idée ne rencontre que scepticisme en Angleterre, mais en France, elle est mise à exécution par un physicien amateur, Thomas Dalibard. L'homme plante dans sa propriété de Marly une tige de fer de 13 m de haut. Elle est isolée du sol par une planche de bois, qui repose elle-même sur quatre bouteilles de verre. Le 10 Mai 1752, l'orage gronde sur Marly. Courageux mais pas téméraire, Dalibard demande à un de ses gardes d'approcher une bouteille de Leyde de la tige métallique. Ssschraak ! Un éclair jaillit : Benjamin Franklin avait vu juste !

Installation d'un premier paratonnerre

1780 : Dès lors, il devient possible, comme le suggère Franklin, de protéger les habitations de la foudre avec une pointe métallique reliée à la terre. Bientôt, les châteaux et les bâtiments publics se hérissent de paratonnerre. Ce succès conduit les physiciens européens à prendre les idées du savant américain un peu plus au sérieux.

A la fin du 18ème siècle, il est clair qu'il existe deux types d'électricité, une positive et une négative, selon la classification du savant américain. Les corps de même charge ont la propriété de se repousser, alors que ceux de charge opposée s'attirent. Il est manifeste, par ailleurs, que ces forces d'attraction et de répulsion sont d'autant plus grandes que la distance qui sépare les objets électrisés est faible. Tout cela, cependant, reste bien vague. Et les physiciens commencent à réfléchir à un appareil qui permettrait de mesurer avec précision la force électrique avec l'espoir, peut-être, de dégager une loi mathématique comme l'a fait Newton un siècle auparavant avec la loi de la gravitation universelle.

1785 : Entre 1780 et 1785, plusieurs électromètres seront mis au point. Certains évaluent la chaleur émise par une décharge électrique, d'autres estiment la longueur de l'étincelle. Mais ces mesures ne donnent qu'une valeur grossière des forces mises en jeu. Un académicien français,Charles Augustin de Coulomb conçoit, en 1785, une balance où la force de répulsion entre 2 billes porteuses de la même charge est mesurée par la torsion, plus ou moins grande d'un fil métallique. Grâce à ce dispositif, Coulomb démontre que la force entre 2 objets électrisés diminue comme le carré de la distance qui les sépare. Autrement dit, si cette distance est multipliée par deux, la force électrique devient quatre fois plus faible. Et ainsi de suite.

Une force mesurée

1786 : Pendant que Coulomb cherche à mesurer la force électrique, un certain Luigi Galvani, en Italie, étudie le système nerveux des grenouilles. Le balcon de son laboratoire témoigne de sa passion : le médecin y suspend, à l'extrémité de fils de cuivre, des cuisses de batracien disséquées ! Un jour venteux de 1786, Galvani, stupéfait, observe une jambe de grenouille bouger toute seule ! Les mouvements se produisent à chaque fois que la cuisse vient heurter les barreaux de fer du balcon.. Lorsque la cuisse de la grenouille touche le barreau de fer, il se crée, pense-t-il, un circuit semblable à celui de la bouteille de Leyde. L'électricité se décharge dans le barreau de fer et provoque en même temps la contraction de la patte du batracien.

1799 : un autre savant italien, Alessandro Volta, ne partage pas du tout les convictions de Galvani. Pour lui, il n'y a pas la moindre électricité dans une grenouille. Volta considère que c'est le contact entre les deux métaux (le crochet en cuivre et le barreau en fer) qui génère le fluide électrique. Le corps du batracien ne sert qu'à transmettre l'électricité et à la mettre en évidence lorsque la patte se contracte. Pour prouver ce qu'il avance, le physicien empile, en 1799, des disques de cuivre et de zinc. Les deux métaux sont séparés par des rondelles de carton humide qui sont censées jouer le rôle conducteur de la grenouille. Bingo ! En plaçant ses mains aux deux extrémités de la pile de disques, Volta ressent une secousse électrique caractéristique. Mais il y a mieux : tant qu'il garde les mains sur l'empilement de disques, la secousse persiste.

1827 : Avec la "pile" de Volta, les physiciens disposent maintenant d'un appareil qui génère en continu du fluide électrique ! Dès lors, les recherches s'intensifient pour produire un courant électrique à la fois plus intense et plus régulier.

En 1822, Thomas Seebeck invente la pile thermoélectrique : un simple anneau composé pour moitié de bismuth et pour moitié de cuivre. Lorsque le savant chauffe le point de contact entre les deux métaux, un courant électrique apparaît dans l'anneau. Un autre physicien allemand, Georg Simon Ohm, se servira de cette nouvelle pile pour démontrer que l'intensité d'un courant dans un fil métallique dépend de la tension (créée par la différence de charge électrique accumulée aux deux extrémités), de la nature du métal qui constitue le fil et de son diamètre.

1897 : l'étrange "fluide" qui circule dans les fils électriques va garder son mystère pendant près d'un siècle encore. En 1850, personne n'est sûr, d'ailleurs, qu'il s'agisse d'un fluide. L'électricité ne serait-elle pas plutôt un flux de particules chargées, comme supposait déjà Benjamin Franklin ? Une avancée décisive se produit en 1897 : en étudiant les décharges électriques entre les deux électrodes placées dans un tube sous vide, le Britannique Joseph Thomson détecte de minuscules grains de matière, de charge négative, qui seront nommés "électrons". Quinze ans plus tard, il est devenu clair que les électrons, négatifs, de Thomson et le noyau, positif, sont les deux constituants essentiels des atomes.

1916 : Reste à prouver que ce sont aussi des électrons qui se déplacent dans les fils électriques. Ce sera fait en 1916 avec la belle expérience de Richard Tolman : le physicien américain fait tourner à grande vitesse un tube métallique puis le stoppe brutalement. Il enregistre alors pendant un bref instant un courant électrique. Tolman démontre, par le calcul, que les charges qui circulent dans le tube ont exactement la masse des électrons. La rotation rapide les a littéralement arrachés des atomes de métal autour desquels ils gravitaient. Lorsque la rotation cesse, les électrons continuent sur leur lancée de tournoyer un court moment dans le tube. L'électricité était enfin comprise !

Les électrons ont le tournis

Tiré de Sciences et vie junior 75 et 77 (texte de Serge Lathière et illustrations de Dominique Galland)