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1812-2012 Bicentenaire de l’unification entre l’électricité et le magnétisme

Descriptions expérimentales et théoriques des relations entre l'électricité et le magnétisme à travers l'histoire de quatre scientifiques : Oersted, Ampère, Faraday et Maxwell.

OERSTED Hans Christian (1777-1851)

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Oersted
d’après W.N Marstrand. (Nationalhistoriske Museum Frederiksborg)

Il est né à Rudkoebing (Danemark) le 14 Août 1777 d’un père pharmacien. Il a découvert l’électromagnétisme et fondé l’école polytechnique au Danemark. Avec son frère Anders, ils font preuve, très tôt de grande intelligence et ils se stimulent mutuellement pour projeter des buts ambitieux. De nombreuses personnes les instruisent et ils acquièrent de nombreuses connaissances qui leurs permettent d’aller à Copenhague en 1793 et 1794 pour passer le baccalauréat. Son frère Anders allait devenir un célèbre jurisconsulte et homme d’état.

Hans Oersted commence des études de pharmacie à l’université de Copenhague, seule formation à l’époque pour aborder des notions de physique et de chimie. Il obtient à deux reprises les prix donnés par l’université (en esthétique et en médecine) et il fut reçu avec mention spéciale à l’examen de pharmacie en 1797. Les sujets les plus étendus qu’il aborda pendant son adolescence et les efforts nécessaires pour y arriver lui permirent d’être reçu docteur ès lettres pour une thèse sur la philosophie de Kant.

Oersted commence par diriger une pharmacie puis, il fit un séjour d’études en Allemagne et en France qui le renforce dans son intention d’approfondir les lois de la physique et de la chimie. De retour au Danemark, il est nommé comme professeur à l’université de Copenhague, poste qu’il garda jusqu’à sa mort. Oersted à ceci de particulier qu’il s’imprègne fermement de la philosophie naturelle et du romantisme ; ces deux tendances réflexives l’incite à se détourner des spéculations immatérielles pour appuyer son raisonnement initial sur la réalité phénoménologique.

Oersted est vivement attiré par la pile galvanique construite par A. Volta le 17 mars 1800. Après la reproduction d’une batterie de piles voltaïques, et de longues réflexions intuitives sur le courant galvanique, il publie en 1812 dans une revue allemande Ansichten der chemischen Naturgesetze ses visions spéculatives sur le rapport supposé entre l’électricité et le magnétisme. C’est en 1820 que l’idée lui vient (pendant une conférence) de faire entrer un fil ténu de platine dans le circuit conducteur entre les pôles de la batterie et, par le courant, de le porter à incandescence en le tenant au dessus d’une petite aiguille aimantée dans le sens du courant. Après la conférence, il réalisa l’expérience et il constata que l’aiguille tournait et qu’elle tournait en sens inverse si on inversait le sens du courant et enfin, il n’y avait pas d’effet si on tenait le fil perpendiculairement à l’aiguille.

Trois mois sont nécessaires à Oersted pour effectuer des expériences complémentaires sur ce phénomène. Il laisse de nombreuses notes qui suivent son raisonnement, il examine même que l’effet (sur l’aiguille aimantée) soit dû à la chaleur puis, convaincu de son analyse et des relations causales entre l’électricité et le magnétisme, il publie en latin les résultats de ses recherches dans un petit compte rendu de quatre pages. En français, le discours est publié dans les Annales de chimie et de physique (TOME XIV p. 417-25, Paris 1820) sous le titre « Expériences sur l’effet du conflit électrique sur l’aiguille aimantée ». Le discours d’Oersted fit sensation dans toute l’Europe et son expérience est reproduite par Arago le 11 septembre 1820 pendant une séance à l’Académie Française. Le 30 octobre, les deux physiciens J.-B. Biot et F. Savart présentent un résultat (à l’Académie) portant sur les rapports entre la direction et la norme de la force observée en fonction du sens et de la quantité d’électricité qui influe sur l’aiguille aimantée. Finalement Ampère trouve une formulation mathématique qu’il publia en 1825 et qui contient également les effets électromagnétique entre courants électriques.

Cette relation entre l’électricité et le magnétisme impulsée par Oersted est à la base d’une révolution scientifique, elle se poursuit avec la découverte des courants d’induction par Faraday en 1831 et Maxwell termine l’œuvre en utilisant la nouvelle théorie pour exprimer la nature de la lumière. Car la lumière est, ni plus ni moins, qu’un champ électrique et un champ magnétique auto-entretenu qui se propagent sans nécessiter de milieu matériel pour en supporter les vibrations ondulatoires.

Les effets électromagnétiques découverts par Oersted renforcèrent sa pensée sur l’unité de la nature, idéal philosophique qu’il contemplait depuis sa tendre enfance.

AMPERE André (1775-1836)

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Ampère
Dessin à la plume attribué à lui-même. (Bibliothèque de l’Académie des Sciences)

Il voit le jour le 20 janvier 1775 à Lyon puis il habite, à partir de sept ans, dans un petit village montagnard (Poleymieux) proche de sa ville natale.

Son père, ancien négociant, devient juge de Paix à Lyon après 89. Mais la Terreur faisant son œuvre, l’honnête fonctionnaire a le cou tranché le 23 novembre 1793. Dans une lettre testamentaire, son père écrivait : « J.-J. Ampère, époux, père, ami et citoyen toujours fidèle ». Enfant de la révolution, il meurt dévoré par elle-même. Mais le fils restera fidèle à l’esprit de la révolution qui souffle un nouvel air de liberté…

Ampère (fils) est élevé un peu comme Emile de J.-J. Rousseau, il apprend seul et il engloutit les livres avec voracité. Doué d’une mémoire prodigieuse, il retiendra d’énormes passages de Buffon et de l’Encyclopédie (des lumières) dans les domaines qu’il affectionne comme l’histoire, le théâtre et les mathématiques. Comme Pascal, il compose à treize ans un traité (sur les sections coniques). Dans ses lectures il se heurte à la notation différentielle, on lui apprend donc les rudiments du calcul infinitésimal. Très touché et inspiré par la nature qui lui fournit mille leçons, il a même son herbier comme Rousseau.

Ampère était un romantique, émotionnellement très impliqué, il vit ses relations amoureuses avec ferveur et passion. Il chante son amour en vers, italiens et français[1], écrit un journal nommé Amorum en 1796 pour une femme (Mlle Carron) qu’il épousera.

Rapidement, il intègre à Paris l’école Polytechnique comme professeur de mathématique (analyse) et le Collège de France en physique. Il fut aussi inspecteur général de l’université (dès 1808) et comme il savait tout, il enseigna également la philosophie à la Faculté des Lettres. Arago considérait Ampère comme un savant doué de facultés immenses.

Il est vrai également que son caractère manquait de calme et de retenu, d’autres comparait son esprit « à une mer agitée » ou son cœur « à un brasier » et un fidèle lui disait : « je sais que vous ne pouvez mettre de frein à votre cerveau ». Il pouvait parler pendant 13 heures de suite sur la classification des sciences, la poésie, le spiritisme, la psychologie, la métaphysique, il s’enflamme sur toute chose, il cherche l’unité en tout et il s’insurge lorsque l‘injustice sociale et politique s’exprime et se manifeste avc outrance dans la société humaine. De lui-même, Ampère disait à un ami : « mon imagination m’offre sans cesse des bonheurs impossibles, des espérances chimériques auxquelles elle me fait croire malgré moi… ».

L’expérience d’Oersted met en branle son questionnement, il s’intéressait aux grands problèmes de chimie, initiateur de la chimie-physique en rapprochant les combinaisons chimiques (atomique) à la loi physique de Mariotte. Ampère était un partisan avant-gardiste de la théorie atomique. Dans une lettre adressée à Berthollet en 1814, il exprime l’hypothèse[2] selon laquelle tous les gaz renferment, à volume égal, le même nombre de particules.

Lorsqu’en 1820, le 11 septembre, Arago refait l’expérience d’Oersted à l’Académie des Sciences, Ampère va bouleverser l’interprétation des faits puisqu’il commence par écrire rapidement deux notes (le 18 et 25 septembre) qui seront complétées en octobre. Il montre que l’électricité en mouvement est la source des actions magnétiques et il prouve également que deux courants fermés agissent l’un sur l’autre. Ampère invente les « courants particulaires » et donne l’essor à l’électrodynamique. Parlant de lui, Louis de Broglie disait : « il se montre par là le génial annonciateur des futures théories électroniques qui admettent que la matière est formée de particules électrisées et cherchent à expliquer toutes ses propriétés par le mouvement de telles particules ».

Ampère était un mathématicien qui possédait la subtilité nécessaire et l’outil technique indispensable pour généraliser des faits empiriques. Il construit en 1826 un mémoire de synthèse Sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques uniquement déduite de l’expérience, qualifiait par Poincaré « d’immortel ouvrage ». Ampère était un improvisateur de génie, intuitif, il réalise une structure mathématique permettant d’interpréter la relation entre l’électricité et le magnétisme.

La forme intégrale du théorème d’Ampère s’exprime ainsi :


Avec I, le courant inclus dans le contour fermé ; Le théorème d’Ampère est un puissant outil pour calculer le champ magnétique en se basant sur ses propriétés de symétrie.

Ampère est finalement au dessus de tous, dans le langage de la physique mathématique qui déchiffre les arcanes du monde et le fonctionnement intrinsèque de la matière. On lui doit également le vocabulaire de « courant » (on parlait de conflit électrique), de tension et de galvanomètre qu’il fabriqua de lui-même. Il invente également le télégraphe électrique et le principe de l’électro-aimant.

Le plus étonnant, c’est son tempérament bouillonnant, entre doutes et croyances, Ampère était une âme mystique et tourmentée, bien plus curieuse des spéculations métaphysiques que des réalités proprement physiques. Et pourtant, il a pu, en quelques mois, édifier une théorie d’une importance pratique que nul ne peut nier : celle de l’utilisation généraliser de l’électricité. Et c’est à juste titre que son nom désigne l’unité du courant électrique.

Il meurt à 61 ans après quelques heures de délires, épuisé par une pneumonie, il était le type même du savant distrait mais hautement concentré intérieurement.


[1] Il connaissait également en latin (pour lire Euler et Bernoulli) et il écrivait dans une langue universelle (comme l’espéranto).

[2] Avogadro l’avait également émise un an avant sans qu’Ampère en fut au courant.

FARADAY Michaël (1791-1867)

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Faraday
Par T. Phillips. (National Portrait Gallery, London)

Fils d’un ouvrier forgeron, Michaël Faraday[1] naquit le 22 septembre 1791 dans les environs de Londres. Issu d’une famille modeste, il reçut une éducation sommaire (lecture, écriture et quelques rudiments d’arithmétique) et il commence à travailler à 13 ans comme coursier chez un libraire ; En 1805, il débute un apprentissage de relieur et libraire. Souvent malade, son père meurt en 1810. Il n’avait donc que 20 ans et toute sa vie. Cette situation pousse le jeune Faraday à se débrouiller par soi-même avec volonté et en toute simplicité.

Son travail quotidien était propice à la lecture et comme Franklin (qui fit un apprentissage dans une imprimerie), ils dévorent des quantités de livres pour se cultiver par autodidaxie mais surtout pour assouvir une curiosité insatiable. Faraday se mit à lire avec voracité des livres de physique et de chimie. En 1812, il assista à quatre conférences de H. Davy qui marqua un tournant dans sa vie. Ce fut une réelle opportunité, il prit des notes, les mis au propre et les relia in-4 dans un livre de qualité puis il les envoya à Davy en sollicitant son aide. Le chimiste, professeur et directeur du laboratoire à la « Royal Institution[2] » répondit aimablement et salutairement pour lui proposer un poste d’assistant scientifique qui venait de se libérer. Faraday prit son service le 1er mars 1813.

Dans cette petite suit d’évènements de la vie, le mot opportunité prend tout son sens et la vie d’un homme (ou d’une femme) peut radicalement changer lorsque l’intrication des faits confirme l’évolution du cours des choses. C.-G. Jung parlait de « synchronicité » pour traduire cette réalité qu’on nomme vulgairement la chance ou le hasard.

Mais reprenons l’histoire de Faraday. Il entame un voyage en Europe avec Davy (octobre 1813-avril 1815) puis à la Royal Institution, il assiste les professeurs au cours de leurs leçons. Faraday a consacré sa vie à cette Institution. Il travaillait énormément pour rattraper son retard, il apprenait beaucoup tout en menant correctement ses fonctions quotidiennes et il fut promu super intendant (1821). Sa première publication (1816) traite de chimie. Il inaugure les réunions du soir (Friday Evening Discourses de la Royal Institution) en 1826 où les spécialistes de chaque discipline rendaient compte des progrès de la connaissance, il initia également le cours scientifique pour enfants (Christmas Juvenile lectures). A cette époque là ses publications sont régulières et elles vont s’étendre sur une quarantaine d’années. Il est élu « fellow[3] » de la Royal Society en 1824, directeur du laboratoire de la Royal Institution (1825). En 1844, l’Académie des Sciences l’accueille comme l’un des 8 membres étrangers et la France le nomme commandeur de la Légion d’honneur en 1855.

Cette ascension fulgurante et unanime, c’est celle d’un garçon pauvre mais opiniâtre, laborieux et idéalement respectueux pour transmettre les connaissances scientifiques et prolonger les expérimentations nécessaires pour faire progresser la science.

Faraday avait l’envergure du vrai savant mais elle contrastait avec son caractère teinté de retenu, de discrétion et de simplicité. Il avait même fait comprendre qu’il n’accepterait pas de titre de noblesse et il a refusé la présidence de la Royal Society. Il ne s’était pas entouré de toute une équipe qui travaillait pour lui, mais seulement d’un assistant qu’il garda 40 ans car « il faisait toujours exactement ce qu’on lui disait, et rien de plus ».

Ses travaux en chimie sont, en quelques sortes, une continuité de l’approche de Davy mais ils lui permettent d’aborder les phénomènes physiques avec des déductions intuitives qui le conduisent à inventer la dynamo. Après les travaux d’Oersted et d’Ampère (avec lequel il était ami), il découvre l’induction électromagnétique (1831) qui se produit dans un circuit fermé et conducteur. Ce circuit fermé est le siège d’un courant induit à chaque fois que le flux du champ magnétique qui le traverse varie dans le temps. Soit le circuit est mobile et le champ magnétique est permanent, soit le circuit est fixe dans un champ magnétique variable.

La loi de Faraday permet de calculer la force électromotrice dans un circuit :

Dans un circuit unique, il se produit des phénomènes d’auto-induction c'est-à-dire  :

 et le flux phi = L.I où L est le coefficient d’auto-inductance et I le courant dans le circuit, on obtient donc la tension d’une bobine (inductance anciennement nommé « self ») :

.

De nos jours, il existe trois composants électriques essentiels pour un régime transitoire dans les circuits en électroniques : la résistance électrique (conducteur ohmique), la bobine et le condensateur.

Ampère était à quelques mois de cette découverte des phénomènes d’auto-induction, mais il reconnu aisément que Faraday l’avait devancé. Pour comprendre l’immense progrès scientifique qui résulte de cette loi, il faut savoir que cette découverte est à la base de la conception du champ électromagnétique. Faraday est donc un trait d’union entre les électriciens et la théorie de Maxwell, entre les phénomènes électriques et la théorie électromagnétique de la lumière.

Il réalise d’autres études qui se portent sur les propriétés diélectriques et le diamagnétisme. En chimie ou plutôt en électrochimie il apporte, pour la première fois, une base quantitative des électrolyses et donc de l’interprétation atomistique des phénomènes électriques qui se produisent, au sein d’une solution aqueuse, à cause d’une réaction d’oxydoréduction forcée à la suite du passage d’un courant électrique.

Première loi : « L’ampleur selon laquelle une réaction électrochimique se produit dépend uniquement de la quantité d’électricité qui traverse la solution ».

Deuxième loi : « La masse [m] d’une substance qui est produite à la suite du passage d’une quantité déterminée d’électricité [I] est proportionnelle à la masse molaire [M] de la dite substance, divisée par le nombre d’électrons [n] qui sont consommés ou produits par entité formulaire [de temps] ». On a :

 

Avec la constante de Faraday : F = 96485 C/mol

Ses recherches permettent donc, à Nernst, d’écrire plus tard sa fameuse équation décrivant les potentiels standards de réduction et la force électromotrice au sein d’une pile :

En 1862, ses dernières notes indiquent un « essai d’identification des effets d’un champ magnétique sur les raies du spectre », son expérience échoua mais 34 ans plus tard, Zeeman, avec un appareil plus puissant valide l’intuition de Faraday.

Comme l’exprimait J.-B. Dumas à l’Académie des Sciences le 18 mai 1868, Faraday a développé « cet art de se servir du concret pour arriver à l’abstrait et de soumettre l’abstrait au contrôle du concret. »



[1] Structure de sa biographie issue d’un texte de H.R. Robinson, F.R.S – Professor of Physics in the University of London (Queen Mary Collège).

[2] La Royal Institution est fondée en 1799 (entre autre par Cavendish) pour diffuser la connaissance et encourager l’enseignement libre et gratuit de la philosophie tout en proposant des découvertes scientifiques liées à l’amélioration des techniques et proposer ainsi des inventions « à des fins ordinaires de la vie ».

[3] Elu par les paires pour une reconnaissance unanime des travaux scientifiques.

 

MAXWELL Clerc (1831-1879)

Il est le premier professeur « Cavendish » de physique expérimentale de Cambridge. Il développe la théorie cinétique des gaz (avec ses « démons ») et il formule les équations du champ électromagnétique qui représentent la première grande unification de la physique théorique (électricité et magnétisme). Maxwell est né en Ecosse à Edinbourg, et il intègre Cambridge pour y faire des études de mathématiques. En 1854 il est classé second au concours « tripos » de fin d’études. A 25 ans, il obtient une chaire de Philosophie Naturelle à Aberden puis une au King’s Collège de Londres. C’est en 1870 que Cambridge lui propose de créer le « Laboratoire Cavendish » qui, pendant 80 ans, est une référence pour les centres de recherche de la physique expérimentale anglaise. C’est dans ce laboratoire qu’est découvert la théorie électronique de Thomson, la désintégration radioactive de Rutherford et la découverte du neutron par Chadwick. Le laboratoire fut ouvert en 1874. Avant cela, Maxwell réalisa ses principales expériences chez lui avec, comme seule assistance, sa femme !

Maxwell était un maître des méthodes mathématiques, il se laissait guider par la beauté, la rigueur et la symétrie d’un développement calculatoire. Sur l’électricité, deux conceptions s’opposaient : celle partant des théories coulombiennes disant que les charges électriques s’attirent ou se repoussent (selon leur charge) dans un espace « vide » dénué de propriétés participant aux phénomènes électriques ; et puis celle partant des théories de Faraday considérant que l’espace environnant une charge électrique est différent de tout autre. Il envisageait des lignes de force qui, partant de la charge électrique, se répandent dans toutes les directions (notion de divergence en mathématiques).

Les quatre équations de Maxwell qui réalisent la première grande unification de la physique sont :


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10 réactions à cet article    


  • jako jako 27 juillet 2012 10:13

    Après vos excellents commentaires hier sous l’article de Bernard , voici un bel article que je découvre avec plaisir. De la bonne information, dommage que l’histoire des principaux physiciens/mathématiciens/chimiste etc en soit que peu connue. Des Ampères j’en ai rempli des copies entières au lycée sans trop savoir qui il était. 


    • Sinbuck Sinbuck 27 juillet 2012 11:01

      Merci Jako... La société retient quelques noms et oublie tous les autres. J’écris en ce moment une histoire des sciences, je peux te l’envoyer (3 Mo pdf) pour « pré-lecture »...


    • jako jako 27 juillet 2012 11:05

      ce serait avec joie et intérêt que je lirai cet ouvrage. Vous avez sans doute mon email


    • Sinbuck Sinbuck 27 juillet 2012 11:52

      Jako, voilà mon mail : patriceportemann@yahoo.fr, après réception de ton mail, j’envoie le doc.


    • jako jako 27 juillet 2012 13:06

      J’ai bien reçu le document, merci de votre confiance, la table des matières annonce un gros travail , vous n’avez pas oublié le rôle essentiel de Gutemberg.


    • xmen-classe4 xmen-classe4 27 juillet 2012 12:45

      « répondit aimablement et salutairement pour lui proposer un poste d’assistant scientifique qui venait de se libérer. Faraday prit son service le 1er mars 1813. »


      ça ne se fait plus.


      superbe article, c’est mieux que ce que j’ai comme encyclopédie.

      il ne manque plus que LaPlace, Ohm, Edyson,Tesla et les autres.

      si c’est une histoire des sciences il faut peut être un peut plus insister sur le contexte sociologique des découvertes. Desfois c’est de la religion,
      ex :
       l’Expérience de Michelson-Morley ont été faite juste après la mort de maxwell.

      • Sinbuck Sinbuck 27 juillet 2012 13:06

        Merci du conseil pour la description du contexte sociologique, l’air du temps...
        Quant aux autres scientifiques, ils sont disponibles sur doc pdf.


      • Soi même Soi même 27 juillet 2012 18:17

        il est intéressante de vous lire, et sans doute cela ferat partie d’un autre article d’évoquer Nicolas Teslas.


        • Sinbuck Sinbuck 27 juillet 2012 19:12

          TESLA Nikola (1856-1943) est né en Yougoslavie et mourut aux Etats-Unis en 1943. Il débute sa carrière d’ingénieur à Budapest en 1881. Dans la dynamo de Gramme, il a l’idée de supprimer les étincelles du collecteur, au moyen de rotation magnétique. En 1883, il invente le moteur asynchrone, mais le courant continu engloutissait tous les budgets publics… pour vaincre les difficultés de la transmission à distance de l’énergie électrique. A l’époque le courant alternatif était mal adapté en France ; il part en Amérique. Il fonde en 1887 la « Tesla Electric Company » et dépose une grande quantité de brevets (systèmes polyphasés, moteurs asynchrones, transmission à distance, courants à haute fréquence et/ou haute tension avec transformation à auto-induction (utilisait également à des usages thérapeutiques). Par rapport à la créativité débordante de Tesla et à ses interrogations, son professeur universitaire (déjà) disait que « cela équivaudrait à transformer une force qui agit dans un sens, pareillement à la gravitation, en une force rotationnelle. Ce serait le mouvement perpétuel, par conséquent une idée irréalisable. » Par son intention de se passer des contacts rampants dans la production des courants continus, engendrés par l’induction électromagnétique – chose en effet impossible – Tesla faisait allusion à l’expérience irréalisable, consistant à exploiter le modèle idéal de la rotation d’un seul pôle magnétique dans le champ (polydrome) d’un conducteur de courant continu. Tesla était nommé à l’époque comme le « poète de l’électricité » pour les expériences spectaculaires qu’il imaginait et les pour les utopies qu’il poursuivait. Mais il n’a pas cueillit les fruits de ses inventions car exploitées pour le bien public.


        • xmen-classe4 xmen-classe4 2 août 2012 11:28

          Nicolas Teslas faisais des essais sur la fréquence de résonance des mega structures.

          il avais simulé un tremblement de terre dans une grande ville américaine.

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