Introduction
L’électricité
est tellement présente dans notre vie quotidienne que
nous avons souvent tendance à la considérer comme
une nécessité d’ordre naturel, au même
titre que l’eau courante. Que les sources de sa production
menacent de se tarir et c’est toute la société
moderne qui vacille. Pourtant, au regard de l’Histoire,
l’utilisation des phénomènes électriques
est relativement récente. Étudiée dès
la fin du XVIe siècle, l’électricité
(au sens de l’ensemble des phénomènes électriques
observables) est longtemps restée, pour le grand public,
un objet de curiosité et d’amusement, avant que les
progrès accomplis au cours du siècle dernier ne
démontrent son utilité pratique. La prodigieuse
pénétration qu’elle a opérée
depuis dans toutes les branches de l’activité humaine,
notamment par le biais de l’électronique, n’est
pas étrangère à l’efficience que nos
contemporains attribuent à la science.
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Les débuts
de l'électricité
Jusqu'à la
fin du XVIIIe siècle, le terme d’électricité
fut réservé aux phénomènes d’attraction
ou de répulsion entre corps préalablement frottés.
Ce domaine est aujourd'hui connu sous le nom d'électrostatique.
L’attraction de corps légers par des objets électrisés
par friction était connue depuis l’Antiquité,
mais son étude n'a véritablement débuté
qu’à la fin du XVIe siècle, avec les travaux
du savant anglais William Gilbert, auteur du premier traité
connu touchant à ces questions, De Magnete, paru en 1600.
C'est à lui que l’on doit l’invention de l'adjectif
électrique pour désigner ces mystérieuses
propriétés d’attraction (électrique
vient du grec elektron, qui signifie ambre, l’un des premiers
corps à avoir été électrisés
par friction). Les expériences de Gilbert furent reprises
par un allemand, Otto von Guericke, au milieu du XVIe
siècle. Afin d’améliorer la qualité
des observations, celui-ci inventa la première machine
à faire le vide (l’attraction de corps électrisés
se manifeste d’autant mieux que l’air ne fait pas obstacle
à leur rapprochement), ainsi que la première machine
électrostatique, en l’occurrence un gros globe de
soufre que l’expérimentateur électrisait en
le frottant de ses mains. Ces instruments rudimentaires lui permirent
de découvrir à la fois le phénomène
de conduction électrique, c’est-à-dire la
capacité de ce mystérieux pouvoir électrique
à se transmettre le long de certains corps, et le pouvoir
des pointes, c’est-à-dire la forte tendance des objets
pointus à manifester des propriétés électriques.
Ce dernier effet ne fut mis à profit qu’un siècle
plus tard par Benjamin Franklin : après avoir démontré,
en 1752, que la foudre est un phénomène de nature
électrique, une sorte d’étincelle géante,
il tira parti du pouvoir des pointes pour imaginer le paratonnerre,
simple pointe métallique reliée à la terre
et destinée à protéger le bâtiment
qu’elle surplombe en attirant sur elle la décharge
venue du ciel. Au XVIIIe siècle, les travaux expérimentaux
amorcés au siècle précédent s'accélérèrent.
D’autres effets furent bientôt mis en évidence,
de nouveaux instruments virent le jour, en même temps que
certaines distinctions conceptuelles s’opéraient,
premiers pas vers une formalisation des phénomènes
électrostatiques. On doit à l’Anglais Stephen
Gray la découverte de l’électrisation
par influence, c’est-à-dire la possibilité
d’électriser un corps à distance, sans contact
direct, ainsi que la distinction entre corps conducteurs, qui
transmettent l’électricité, et corps isolants,
qui inhibent cette transmission. Une autre distinction importante
est le fait du savant français Charles Du Fay :
en 1733, il découvrit qu’il existait deux sortes
d’" électricités " (nous dirions
aujourd’hui charges électriques), l’une obtenue
en frottant du verre, qu’il appela électricité
vitreuse, l’autre obtenue en frottant des corps résineux,
qu’il appela électricité résineuse.
Deux corps porteurs d’" électricités
" de même nature se repoussent, et deux corps porteurs
d’" électricités " différentes
s’attirent. Pour cette raison, Benjamin Franklin les rebaptisa
quelques années après électricités
positive et négative. Il fut le premier à fournir
l’explication du phénomène d’électrisation
en s’appuyant à la fois sur l’existence des
deux types de charges électriques et sur un principe fondamental,
mis en évidence quelques années auparavant par
le physicien anglais William Watson, la conservation globale
de la charge électrique (voir CHARGE) : l’électrisation résultait
de la séparation des charges positives et négatives
contenues dans un corps globalement neutre.
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Deux sortes
d'électricité
L’étape suivante consista à caractériser
la force électrique exercée par un porteur de charge
sur un autre. Les physiciens n’eurent pas à aller
chercher bien loin : ils s’inspirèrent de la loi
de GRAVITATION de Newton énoncée un siècle
auparavant. Ils proposèrent ainsi une force proportionnelle
à la charge électrique de chacun des porteurs en
interaction, et inversement proportionnelle au carré de
la distance qui les sépare. Cette loi fut vérifiée
expérimentalement en 1785 par le Français Charles
Augustin de Coulomb (l’unité internationale de
charge électrique porte son nom). Les dernières
briques de la théorie des interactions entre charges électriques
immobiles furent posées dans les années qui suivirent.
Compte tenu de la forte similitude entre la loi de Coulomb et
la loi de gravitation, le formalisme et les concepts de la MÉCANIQUE
furent transportés dans le domaine de l’électrostatique.
C’est à cette occasion que la notion de POTENTIEL,
introduite en 1772 par Joseph Louis de Lagrange pour la
gravitation, fut reprise, en 1784, par Pierre Simon de Laplace
pour décrire l’état électrique engendré
en un point quelconque de l’espace par un ensemble de charges
électriques.
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De la pile
au courant
C’est au moment où la théorie électrostatique
parvenait à maturité qu’une onde de choc vint
l’ébranler. La révolution venait de là
où on l’attendait le moins : des travaux d’un
anatomiste italien, Luigi Galvani, sur les muscles de
cuisses de grenouilles disséquées. En 1791, il
découvrit que ces muscles manifestaient de curieuses propriétés
électriques dès qu’on les mettait en contact
avec deux métaux de natures différentes. Pour interpréter
ces phénomènes, il fit un rapprochement avec un
dispositif mis au point quelques années auparavant par
l’Allemand Ewald Georg von Kleist : la bouteille
de Leyde. Il s’agissait d’une simple bouteille dont
la paroi interne était recouverte d’une feuille métallique
préalablement chargée électriquement, qui
se déchargeait brusquement dès qu’on la mettait
en contact avec un conducteur (elle constitue à ce titre
le premier condensateur électrique). Pour Galvani,
la grenouille constituait une bouteille de Leyde naturelle, que
le contact avec deux métaux conducteurs suffisait à
décharger de sa mystérieuse électricité
animale. Sceptique, le physicien italien Alessandro Volta
reprit les expériences de son compatriote et montra que
la grenouille ne jouait qu’un rôle secondaire : l’effet
électrique résultait en fait de la mise en contact
de deux métaux de nature différente par l’intermédiaire
d’un tissu humide. S’inspirant de cette conclusion,
il mit au point en 1800 la première pile électrique,
constituée d’un empilement (d’où son
nom) de disques de cuivre et de zinc, entre lesquels s’intercalaient
des tissus imbibés d’acide. Cette invention révolutionna
l’électricité : contrairement aux machines
électrostatiques qu’on devait charger par frottement
et qui se déchargeaient en un temps très bref,
la pile de Volta produisait spontanément, par réaction
chimique, une sorte de décharge continue que le physicien
français André Marie Ampère baptisa
en 1820 courant électrique. Un courant électrique
n’est rien d’autre qu’un déplacement global
de charges au sein d’un conducteur. En hommage à
Ampère, l’unité internationale de l’intensité
du courant électrique, c’est-à-dire de la
quantité de charges qui traverse une section de conducteur
par unité de temps, porte le nom d’ampère.
En hommage à Volta, la tension, c’est-à-dire
la grandeur qu’il introduisit pour mesurer la capacité
d’une pile à produire un courant, s’exprime
en volts. Grâce à cet allongement considérable
du temps de décharge (accru par la réalisation
de piles de plus en plus performantes), il devint possible d’observer
les effets d’un long passage de courant dans une multitude
de corps. On ne tarda pas à s’apercevoir qu’en
plongeant dans l’eau, ou plus généralement
dans une solution aqueuse, deux tiges solides reliées
aux bornes d’une pile (deux électrodes, suivant la
terminologie introduite par Michael Faraday quelques années
plus tard), on provoquait la décomposition de la solution
en ses constituants élémentaires, c'est-à-dire
l’électrolyse. Cette technique permit au chimiste
anglais Humphry Davy de découvrir, au début du
XIXe siècle, une multitude d’éléments
jusque-là inconnus : le sodium, le potassium, le calcium,
le magnésium, le baryum et le strontium. En substituant
à la solution aqueuse un gaz enfermé dans une enceinte
en verre, on réalisa les premières décharges
électriques durables, qui allaient servir de base aux
premiers dispositifs d’éclairage urbain dans la seconde
moitié du XIXe siècle. Enfin, en 1841, l’Anglais
James Prescott Joule observa que le passage d'un courant
électrique dans un conducteur métallique provoquait
un dégagement de chaleur. C'est l'effet joule,
vital pour les fers à repasser…
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Les effets
magnétiques de l'électricité
Une seconde révolution prit naissance, dans le nord de
l’Europe cette fois. En 1820, un professeur de physique
de l’université de Copenhague, Hans Christian
OErsted, observa qu’un fil conducteur parcouru par un
courant électrique déviait une aiguille aimantée
placée à proximité. Cette expérience,
en même temps qu’elle révélait pour
la première fois l’existence d’effets magnétiques
de l’électricité, inaugura l’étude
des interactions entre aimants et fils parcourus par des courants.
Cette étude eut des implications théoriques considérables.
Grâce aux travaux d’Ampère, elle aboutit à
l’assimilation d’un AIMANT à une bobine de fil
conducteur et à la réduction de tout phénomène
magnétique à une interaction entre fils conducteurs.
Elle montra aussi qu’un aimant pouvait déplacer un
fil conducteur parcouru par un courant. Tirant parti de cet effet
pour faire tourner un circuit électrique, Michael Faraday
réalisa, dès 1821, ce qui peut être considéré
comme l’ancêtre du moteur électrique. Il n’en
resta pas là. Obsédé par l’idée
de mettre en évidence l’effet réciproque de
celui observé par Œrsted, c'est-à-dire la
possibilité d’engendrer un courant électrique
grâce au magnétisme, il parvint à montrer,
en 1831, qu’un courant électrique apparaît
spontanément au sein d’un circuit lorsqu’on
déplace un aimant à son voisinage (ou, ce qui revient
au même, lorsque le champ magnétique environnant
varie au cours du temps). Ce phénomène, appelé
induction électromagnétique, lui permit
à la fois de réaliser le premier générateur,
c’est-à-dire la première source de courant
ne fonctionnant pas à partir d’une réaction
chimique mais provenant d’un mouvement mécanique,
et de concevoir le premier transformateur, capable d’accroître
ou de diminuer une tension électrique. Ces trois
éléments, le moteur, le générateur
et le transformateur, allaient devenir les trois piliers de l’industrie
électrique.
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Lois des
circuits
La seconde moitié du XIX e siècle fut marquée
par un double mouvement : pendant que l’électricité
industrielle et ses applications se développaient de façon
spectaculaire, les physiciens s’attachèrent à
unifier l’ensemble des phénomènes observés
par leurs prédécesseurs. Dans ce dernier domaine,
une première étape décisive fut franchie
en 1848 par l’Allemand Gustav Kirchhoff, qui démontra
que les phénomènes associés aux courants
électriques, qui constituent ce que l’on appelle
aujourd’hui l’électrocinétique, étaient
de même nature que les phénomènes électrostatiques
(à cette occasion, la tension électrique, grandeur
initialement purement électrocinétique, fut identifiée
à la différence de potentiel électrostatique).
Ce faisant, il donna à l’électrocinétique
la forme qu'elle a aujourd'hui et qui sert de base à l’étude
des circuits électriques. Il laissa son nom à deux
lois fondamentales. La première, aussi appelée
loi des nœuds, dit que toute l’intensité qui
arrive en un nœud, c’est-à-dire en un point
de bifurcation d'un circuit électrique, est égale
à toute celle qui en part. La deuxième loi, ou
loi des mailles, indique que dans une maille, c’est-à-dire
une branche de circuit fermée, la somme des tensions aux
bornes des différents éléments de la maille
est globalement nulle. Ces lois, lorsqu’elles sont liées
à une bonne connaissance des éléments qui
constituent le circuit, permettent d’accéder aux
caractéristiques de celui-ci (intensités parcourant
ses différentes branches, tensions aux bornes de chaque
élément).
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L'unification
de l'électricité et du magnétisme
L’expérience
d’Œrsted avait mis en évidence l’existence
de liens entre électricité et magnétisme.
Les deux domaines furent unifiés par l’Écossais
James Clerk Maxwell en 1864, donnant naissance à
l’ELECTROMAGNETISME. La principale conséquence
de cette nouvelle théorie fut, du point de vue de l’électricité,
l’identification de la vitesse de propagation des phénomènes
électriques, qu’on avait jusqu’alors vainement
tenté de mesurer, avec celle de la lumière. Il
ne s’agissait d’ailleurs pas réellement d’un
résultat nouveau, car Kirchhoff était déjà
parvenu, par une voie purement électrocinétique,
à une telle conclusion sept ans auparavant, dans le cas
particulier de l’étude de la propagation de signaux
électriques le long d’un fil télégraphique
(l’équation à laquelle il aboutit est connue
sous le nom d’équation des télégraphistes).
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L'électricité
industrielle
La seconde moitié du XIXe siècle
fut marquée par un développement spectaculaire
de l’électricité industrielle, ou électrotechnique.
La pile de Volta fut bientôt supplantée par des
piles plus performantes, comme la pile Daniell (1836), la pile
Bunsen (1841) ou la pile Leclanché (1864). En 1859, Gaston
Planté mit au point la première pile rechargeable,
ou accumulateur. Les générateurs connurent un essor
analogue : l’invention de la dynamo dans les années
1870 par Zénobe Gramme préfigura l’apparition
des premiers générateurs de courants alternatifs,
ou alternateurs, notamment grâce aux travaux de l’ingénieur
croate Nikola Tesla (qui laissa son nom à l’unité
internationale du champ magnétique). Ces dispositifs,
entraînés par les turbines immenses des centrales
électriques (qu’elles soient thermiques, hydroélectriques
ou nucléaires) constituent l’élément
central de la production d’énergie électrique.
Le développement des générateurs accompagna
assez naturellement celui des dispositifs inverses, à
savoir les moteurs électriques. Ces progrès contribuèrent
au développement des applications de l’électricité
tout au long du siècle dernier. Dès 1839 apparaissait
en Angleterre le premier instrument de télécommunication
fonctionnant à l’aide de signaux électriques
transmis le long d’un fil, le télégraphe,
mis au point par les ingénieurs William Cooke et Charles
Wheatstone. En 1876, des signaux électriques furent pour
la première fois utilisés par l’Américain
Graham Bell pour transporter à distance la voix humaine
: le téléphone était né. Bientôt,
ce fut au tour des moyens de transport d’être électrisés
: le premier tramway électrique des ingénieurs
allemands Werner von Siemens et Johann Halske date de 1879 ;
le premier train électrique, inventé par Thomas
Edison, date de 1880. Grâce au développement des
transformateurs électriques dans les années 1880
et aux hautes tensions que ces dispositifs permettaient d'obtenir,
il devint possible d’étendre la distance de transport
de l’électricité depuis son lieu de production
jusqu'au cœur des cités (les pertes électriques
causées par l’effet Joule le long d'une ligne sont
d’autant plus faibles que la tension de la ligne est élevée).
La manifestation la plus frappante de cette pénétration
fut certainement l’essor de l’éclairage urbain,
permis par la mise au point récente par Edison d’un
nouveau type de lampe, la lampe à incandescence (reposant
sur l’émission d’un intense rayonnement visible
par un fil de matériau réfractaire amené
à haute température par effet Joule).
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Les porteurs
de l'électricité
L’évolution rapide de l’électrotechnique
au XIX e siècle prouve qu'il n'était point besoin
de connaître la nature des porteurs de charge électrique
pour utiliser leurs propriétés. Celle-ci ne fut
élucidée qu’à la fin du XIXe siècle
et au début du XXe siècle grâce à
la découverte de l’ÉLECTRON et de la structure
atomique de la matière (voir ATOME). De ces découvertes,
il ressortit que les phénomènes électriques
ne résultaient pas d’un mystérieux fluide
électrique indépendant de la matière, qu’on
avait vainement tenté de caractériser des siècles
durant, mais de la structure même de la matière,
intrinsèquement électrique puisque deux des trois
constituants élémentaires de l’atome (l’électron
et le proton) sont porteurs d'une charge électrique. Bien
plus, il s’avéra que ce caractère électrique
explique aussi bien la cohésion de l’atome, celle
de la MOLÉCULE et celle du SOLIDE. Quant au courant électrique,
sa nature dépend avant tout de l’état physique
considéré. Dans un solide métallique, il
résulte uniquement du déplacement des électrons
les moins liés à la structure cristalline, ou électrons
de conduction (dans un semi-conducteur, les choses sont un peu
plus compliquées, voir SEMI-CONDUCTIVITÉ). Une
zone d’un solide ne peut donc apparaître chargée
positivement que par déficit d’électrons.
Dans un LIQUIDE, le courant électrique est assuré
grâce à la présence préalable et au
déplacement d’IONS (c’est-à-dire d’atomes
qui ont perdu ou gagné des électrons) au sein du
fluide, les ions chargés positivement (ou cations) se
déplaçant en sens inverse des ions chargés
négativement (ou anions). Dans un GAZ, enfin, où
toutes les particules, qu’il s’agisse d’atomes
ou de molécules, sont initialement neutres, les choses
se passent en deux temps : l’application d’une tension
électrique entre deux électrodes provoque l’ionisation
partielle du gaz, autrement dit la scission des particules en
ions positifs et électrons (il ne s’agit plus alors
à strictement parler d’un gaz, mais de ce que l’on
appelle un PLASMA). C’est le mouvement consécutif
des particules chargées vers les électrodes qui
constitue alors le courant électrique.
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