Electricité
Machines électrostatiques
Depuis la plus haute antiquité l'ambre est connu pour émettre un fluide que William Gilbert(1544 - 1603) nomma électricité. Mais c'est Otto von Guericke (1602 - 1686) qui en 1670, inventa la première machine électrostatique.
Francis Hauksbee (1666 - 1713) vers 1705 remplace la boule de soufre de la machine d'Otto van Guericke par un globe de verre. Un jour ayant introduit une petite quantité de mercure dans ce globe remarque qu en se chargeant d'électricité par frottement et en approchant la main une lueur devient visible.
Stephen Gray (1666 - 1736) scientifique autodidacte, découvre que la charge électrique ne remplit pas le globe d'une machine électrostatique mais reste en surface. Il remarque, en plus, que l'électricité se propage dans un conducteur à plus de 250 mètres si ledit conducteur est maintenu isolé de la terre et des objets environnement par des fils de soie. Il est le premier à constater qu'un conducteur électrique peut transmettre des informations.
De ces expériences naissent une compréhension du rôle joué par les conducteurs et les isolants. Gray a probablement réalisé des années avant Franklin que les éclairs sont dus au même phénomène que le fluide électrique.
Johann Winkler (1703-1770 conçoit une machine électrostatique avec coussin en cuir (en place de la main et un cylindre en rotation sur lequel on capte l'électricité.
Georg Bose (1710-1761) rafistole, en 1743, une machine électrostatique de d'Otto van Guericke, en y ajoutant une tige munie de crins de cheval qui frotte sur la sphère de soufre pour y prélever la charge électrique. Cette tige métallique est isolée, de sorte qu'en y approchant une autre tige reliée à la terre on provoque entre les deux une étincelle.
Georg von Kleist, pour stocker ce fluide appelé électricité, eut une idée. Il enroule une feuille d'argent autour d'une bouteille en verre. Dans l'eau accidentellement impure qu'elle contient il plonge un très long fil de laiton qui traverse le bouchon ; il relie ce fil de laiton à la terre et charge la feuille à l'aide d'un générateur à friction.
Cette invention est connue sous le nom de bouteille de Leyde parce qu'en 1746, Pieter van Musschenbroek (1692 - 1721) de l'université de Leyde, Pays-Bas, fait de manière indépendante la même découverte, mais est le premier à combiner plusieurs bouteilles en parallèle dans une batterie
pour augmenter la capacité totale ce qui lui vaut une réputation mondiale.
Les machines électrostatiques et la bouteille de Leyde, permettent de faire des étincelles mais n'ont aucune utilité dans la vie courante.
Benjamin Franklin (1706 - 1790) En parallèle de ses activités d'imprimeur conduit au cour de sa vie un grand nombre d'activités scientifiques qui participèrent à sa renommée en Europe.
Benjamin Franklin est particulièrement célèbre pour ses travaux dans le domaine de l'électricité, notamment ses expériences sur la foudre. En 1750, il rédige le protocole d'une expérience célèbre sur la foudre, afin de prouver à ses contradicteurs de la Royal Society que les éclairs étaient de nature électrique. Ces recherches conduisent à son invention du paratonnerre, dont les premiers exemplaires furent installés sur sa maison ainsi que l'académie de Philadelphie. De ses recherches sur la nature de l'électricité, on lui doit par exemple des termes aussi courants que batterie
, positif
, négatif
, charge
...
Il a été aussi un chercheur pionnier dans le domaine de la météorologie (cloches de Franklin) et même un des premiers hommes à monter dans une montgolfière. Il est aussi l'inventeur des lunettes à double foyer et du poêle à bois à combustion.
Franklin est aussi le premier à proposer une expérience permettant de calculer la taille d'une molécule. Il verse une cuillère à café d'huile à la surface d'un étang (celui de Clap Ham, près de Londres) et aperçoit que la tache d'huile s'étendait sur 100 m2. Il observe que les vaguelettes provoquées par le vent ne se propagent pas sur l'huile. Dans un premier temps, il ne saisit pas l'ampleur de cette simple expérience mais Lord Rayleigh se rendit compte cent ans plus tard en divisant le volume d'huile par la surface d'étalement que l'on trouvait une valeur de l'ordre du nanomètre.
Jesse Ramsden (1735 - 1800), opticien anglais, fabricant d'instruments de précision construit, en 1766, une machine électrostatique, à plateau de verre. Entre deux montants en bois verticaux, se trouve un plateau circulaire en verre, fixé par son centre à un axe pouvant tourner à l'aide d'une manivelle. Ce plateau, pressé entre quatre coussins de cuir, passe entre deux tubes de laiton courbés en forme de fer à cheval et armés de chaque côté de dents, que l'on appelle les peignes (ceux-ci remplacent le crin de cheval de Bose). Ceux-ci sont fixés sur deux gros tubes de laiton horizontaux, constituant les conducteurs, isolés par des pieds en verre. Les conducteurs sont reliés entre eux par un tube latéral terminé par une boule conductrice, par où sera recueillie l'électricité
Remarque : on retrouve ici le même processus que pour la vapeur : un manuel, Otto van Guericke (1602 - 1686) observe une boule de soufre et constate que frottée entre les mains elle produit un fluide. Il en déduit qu'emmanchée sur un axe à manivelle elle serait plus facile à tourner. Ainsi fut inventée la première machine à fabriquer de l'électricité statique. Celle-ci fut progressivement améliorée.Plus tard Charles François du Fay (1698 - 1739) découvre qu'il y a deux espèces d'électricité et que des charges semblables se repoussent, alors que les charges d'une espèce attirent les charges de l'autre espèce. Charles Coulombson compas magnétique suspendu &eagrave; couple de torsion
par l'Observatoire de Paris.
Toutefois il est surtout connu pour les expériences historiques qu'il a réalisées à l'aide d'une balance de torsion de sa fabrication inspirée de celle réalisée précédemment par John Michell (1724 - 1793) et Henry Cavendish (1734 - 1810) pour mesurer la constante (G) gravitationnelle de Newton.
Charles Coulomb, expérimentateur très rigoureux reprend la théorie de Newton de l'action à distance de la gravitation pour l'appliquer aux lois d'attraction électrostatiques et magnétiques Il reprend également les constatations de Charles François du Fay (1698 - 1739) et l'abbé Nollet (1700 - 1770) selon lesquelles il y a deux espèces d'électricité : positive et négative.
La loi de Coulomb
Après de multiples contrôles il écrit les relations suivantes entre deux quantités d'électricité (q1 et q2) ou deux quantité de magnétisme (m1 et m2). Il a soin de préciser qu'il le fait uniquement en vue de présenter avec le moins d'éléments possible, les résultats de ses calculs et expériences :
Fe = K.q1 . q2 . /.r2 et Fm = K m1 . m2 / r2>Abraham Bennet (1749 - 1799) crée, en 1786, l'électroscope à feuille d'or qui permet de déceler de très faibles variations de charges électriques
Martin van Marum (1750 - 1837) fait construire, en 1784 la machine électrostatique de tous les records. Elle comporte deux disques de plus d'un mètre cinquante de diamètre, et deux assistants actionnent simultanément les manivelles. Les étincelles obtenues atteignent soixante centimètres.
Les piles électriques
En 1752, Johann Sulzer (1720 - 1779) place par hasard, , du plomb et de l'argent dans sa bouche et décèle un goût
électrique sur sa langue.
Plus tard, il constate qu'il y a analogie entre électricité d'une machine électrostatique, celle des contractions des grenouilles ou celle à la surface de la langue.
En 1786, Luigi Galvani (1737 - 1798) professeur d'anatomie observe, que sous l'influence de la décharge provoquée par une machine électrostatique de Ramsden, les cuisses d'une grenouille coupée en deux se rapprochaient brusquement. La bête semble reprendre vie, comme pour sauter.
Un autre jour il constate qu'Il suffit qu'une tige métallique soit en contact entre l'un des nerfs lombaires pour que les muscles des cuisses de l'animal se contractent.
L'expérience de Galvani fut renouvelée avec encore plus de succès en utilisant un genre de compas, formé d'un arc en cuivre et d'un autre en Zinc.
Alessandro Volta (1745 - 1827), les expériences de Sulzer le conduisent à une classification des métaux du point de vue électricité. Et ceux de Galvani à la conclusion que deux métaux différents mis en contact produisent de l'électricité qui est la cause des réactions de la grenouille.
En Mars de l'année 1800, Alessandro Volta est dans son cabinet de physique. Sur une table sont déposées des rondelles de zinc, de cuivre et de carton épais, le savant superpose avec le plus grand soin, toujours dans le même ordre, une rondelle de cuivre, une rondelle de zinc puis une rondelle de carton très mouillé.
Il empile (d'où le nom donné à la pile) ainsi plus de soixante rondelles. Ayant fixé des fils métalliques aux rondelles du bas et du haut, il les approche à une très faible distance. Aussitôt une petite étincelle bleue et très lumineuse jaillit.
La pile à colonne de Volta, pile voltaïque, ou encore pile Volta fut la première pile électrique.
La pile produisait donc les mêmes effets que la Machine de Ramsden mais les secousses et les étincelles pouvaient être renouvelées autant de fois qu'on le désirait sans qu'il soit nécessaire de tourner continuellement la manivelle.
La Pile à colonne présente certains inconvénients. Sous le poids des éléments métalliques, les rondelles de carton mouillé suintent et se dessèchent.
Volta pour perfectionner son invention dispose les plaques de zinc et de cuivre dans des petits récipients en verre contenant un mélange d'eau et d'acide sulfurique. Une petite bande en métal, reliait la plaque de cuivre contenue dans un vase à la plaque de zinc du vase suivant et ainsi de suite. A l'intérieur des vases, les plaques sont séparées par le liquide acidulé.
Le 2 mai 1800, deux chimistes britanniques, William Nicholson (1753 - 1815) et Sir Anthony Carlisle (1768-1840) réalisent la première électrolyse de l'eau en utilisant la pile électrique de Volta comme générateur.
La pile Volta permet également de faire tourner les premières machines (moteurs) électromagnétiques, la roue Barlow
.
En novembre 1801, Volta présente sa pile devant l'Institut de France et y énonce la loi des tensions, ainsi que la valeur des tensions de contact des métaux classés par ordre d'électropositivité décroissante, du zinc à l'argent.
Alessandro Volta est devenu membre de la Royal Society le 5 mai 1791. Celle-ci lui décerna la médaille Copley en 1794.
Napoléon Bonaparte esr stupéfié par sa découverte et lui décerne le titre de comte du Royaume en 1810 ; en 1815, l'empereur d'Autriche le nomme professeur de philosophie à Padoue.
Des progrès considérables seront réalisés grâce à la pile Volta. Pour la première fois, l'électricité qui était uniquement statique, est devenue dynamique sous la forme de courants électriques.En réalité, l'invention de la pile résulte de la déduction que Volta fit d'une part ; de l'observation de l'électricité animale par Galvani d'autre part de la sensation qu'éprouva la langue de Sulzer.
William Hyde Wollaston, (1766 - 1828), entre 1813 et 1815, développe une pile, dans laquelle l'électrode de cuivre entoure l'électrode de zinc. Cela permet de doubler la surface de l'électrode et de prolonger le fonctionnement de la pile. Ces premières piles souffrent en effet d'un défaut de fonctionnement : la polarisation.
La réaction d'oxydo-réduction provoque une accumulation de sous-produits qui perturbe le fonctionnement de la pile. Dans ces piles zinc-cuivre c'est la réduction de l'acide de l'électrolyte qui produit un dégagement de bulles hydrogène sur le cuivre qui empêche le passage du courant. Au bout d'un certain temps, il est donc nécessaire de nettoyer la pile de ces dépôts pour qu'elle continue de fonctionner.
