Electricité
Francis Hauksbee, en 1703, excellent constructeur d´instruments, perfectionne la pompe à vide inventée par Von Guericke. et s´intéresse également à un phénomène connu mais resté mystérieux. On avait constaté que des lueurs bleutées apparaissent dans l´espace vide au-dessus du mercure d´un baromètre, lorsque ce baromètre est secoué dans l´obscurité. Hauksbee cherche à reproduire cette luminosité de diverses manières et ses expériences l´amènent à penser que la lumière produite est liée d´une part au frottement du mercure contre le verre, d´autre part à la qualité du vide. En 1705, en remplaçant le mercure par de l´ambre frotté dans une cloche de verre à l´intérieur de laquelle il fait le vide, il obtient les mêmes lueurs, d´autant plus intenses que le vide est plus poussé Pour frotter l´ambre à l´intérieur de la cloche, il lui avait fallu construire un dispositif ingénieux et complexe.
Le cylindre de verre est placé au-dessus d´une pompe à vide (non représentée sur ce dessin). Des perles d´ambre frottent sur des tampons de laine. Le mouvement est transmis par une courroie de la grande roue de 60 cm de diamètre à la petite poulie fixée au sommet du dispositif.
Mais pourquoi, plus simplement, ne pas frotter le verre lui-même, et de l´extérieur ? Hauksbee fait tourner rapidement une boule de verre dans laquelle il a fait le vide, tandis que sa main bien sèche frotte la boule. Une lueur violette très intense apparaît alors à l´intérieur de la boule alors que dans l´air, à l´extérieur de la boule, on obtient non pas une lueur continue, mais une série de brèves étincelles. D´autre part la boule en rotation attire fortement les objets légers.
De 1705 à 1709, Hauksbee construit d´autres machines, avec lesquelles il étudie les deux phénomènes : luminescence et attractions électriques.
Lorsque le globe de verre est frotté, les brins de laine qu´Hauksbee a disposés à l´intérieur se dirigent selon les rayons du globe.
Les deux cylindres de verres de cette machine peuvent être mis en rotation indépendamment l´un de l´autre. On fait le vide dans le cylindre intérieur. Lorsqu´on applique une main bien sèche sur le cylindre extérieur en rotation, une lueur apparaît dans le cylindre intérieur.
Pendant plus de vingt ans, malgré l´intérêt que suscitent les expériences d´Hauksbee, les machines à globe ou à cylindre de verre tournants servent davantage à des démonstrations sur la production de phénomènes lumineux qu´à de nouvelles recherches en électricité.
C´est avec ce genre de tube que dans les années 1730, Stephen Gray et Charles Dufay réalisent les expériences qui feront prendre son essor à la science électrique.
L´Anglais Stephen Gray (1666-1736), teinturier de son état mais amateur de sciences au cours de ses expériences, en 1729, pour éviter que la poussière ne pénètre à l´intérieur du long tube de verre qu´il électrisait par frottement, il le ferme par des bouchons de liège, et voilà que les bouchons attirent à leur tour les objets légers. Et s´il fixe dans le bouchon une baguette terminée par une boule d´ivoire, cette dernière acquiert à son tour la même propriété ! Gray multiplie alors les essais, suspendant toutes sortes d´objets au bout d´une ficelle, fixée au bouchon de liège, et de plus en plus longue. Il augmente encore la distance de transmission de la "vertu" électrique en laissant pendre par une fenêtre une ficelle de chanvre ou un fil métallique long d´une dizaine de mètres. Enfin il réalise l´expérience à l´horizontale dans une longue galerie : une corde de chanvre d´une trentaine de mètres terminée par une boule d´ivoire est supportée par des cordons de soie, comme le lui a suggéré son ami Wheler. Le pouvoir d´attraction est encore transmis du tube de verre électrisé à la boule. Gray considère que c´est grâce à "son peu de grosseur" que la soie "détourne peu la vertu électrique", permettant ainsi la communication de l´effluve électrique le long de la seule corde de chanvre.
Dans l´expérience de Gray, la corde de chanvre repose sur des cordons de soie. Ici, plusieurs allers et retours de la corde permettent de vérifier la "communication de l´électricité" jusqu´à 250 m de distance !
Mais plusieurs cordons de soie ayant cédé, Gray et Wheler remplacent ces cordons par des fils de laiton, plus solides. Bien qu´ils présentent également la finesse requise, il n´y a plus d´attraction au bout de la corde de chanvre ! C´est donc le choix du matériau - soie d´une part, laiton ou ficelle d´autre part - et non sa finesse qui détermine s´il y a ou non "communication de l´électricité". "Lorsque l´effluve électrique arrive au fil [de laiton] qui supporte la corde de chanvre, il passe par ce fil aux montants de bois auxquels chacune de ses extrémités est fixée, aussi ne poursuit-il pas plus loin le long de la corde qui devait le conduire à la boule d´ivoire".
S´il multiplie les variations expérimentales, allant jusqu´à communiquer l´électricité à 250 m de distance, en revanche Gray ne formule pas d´interprétation théorique. Les choses sont plus compliquées, estime-t-il, qu´un simple mouvement d´effluves matériels et le terme de "vertu électrique", qu´il utilise également, désigne l´ensemble des effets produits par l´électricité (attraction/répulsion et lueurs). De fait d´autres expériences défiaient toute interprétation, comme l´attraction de sa plume électrisée par des corps non électrisés. Cependant des essais répétés lui permettent d´affirmer qu´on peut distinguer deux catégories de corps, ce qui explique la différence de comportement des fils de soie et des fils de laiton :
Tous les métaux, le bois, le roseau ou le chanvre, sont des conducteurs - le verre, les résines, ou la soie sont des isolants. Ces derniers ne transmettent pas "l´effluve électrique" [l´électrisation], qu´ils conservent à leur surface dans la zone qui a été frottée. des cordes de crin un enfant dont les jambes sont mises en contact avec le tube de verre frotté ! Les extrémités de son corps (tête, mains) attirent à distance les corps légers. Le corps humain est conducteur : Gray en fait la démonstration.
Les machines allemandes
Au milieu des années 1730 l´Allemand Georg Bose revient au globe de verre frotté à la main pour ses démonstrations publiques qui rencontraient un grand succès à Leipzig. Suivi par d´autres physiciens allemands, il introduit un perfectionnement en canalisant l´électricité produite par le globe vers une tige métallique, épée ou canon de fusil. Cela lui permet d´accumuler l´électricité sur ce conducteur et de constituer une sorte de réservoir d´électricité. Ce "conducteur primaire" devient un élément essentiel de toutes les nouvelles machines, prenant ultérieurement la forme d´un cylindre métallique creux, terminé à chaque extrémité par une boule et posé sur des pieds de verre ou suspendu par des fils de soie. Mieux, le conducteur primaire peut être un jeune garçon suspendu par des cordons de soie, transmettant le feu électrique à une jeune fille debout sur un tabouret isolant... méthode à succès si l´on en juge par le nombre de gravures représentant cette scène.
Diverses techniques sont utilisées pour maintenir le globe en rotation rapide. Johann Winkler, un professeur de langues et collègue de Bose à Leipzig, remplace la main par un coussin de cuir. Des machines sont construites avec plusieurs globes en rotation, frottant chacun sur des coussins. Ces nouvelles techniques allemandes sont rapidement diffusées par Winkler.
Cependant en France, Nollet reste convaincu de la supériorité de sa main sur les coussins de cuir, dut-il risquer de se blesser au cas où le globe viendrait à se briser, ce qui se produisit lors d´une de ses démonstrations. Enfin, en Allemagne et en Angleterre, le globe est parfois remplacé par un cylindre.
Charles François du Fay (1698 – 1739) constate, en 1733, la présence de deux sortes d'électricité : vitreuse et résineuse. La première est générée en frottant du verre avec un tissus de l'aine, la seconde en frottant de l'ambre ou du souffre. Deux corps pourvus d'électricité de même nature se repoussent, alors que deux corps dotés d'éleccticité différentes s'attirent.
Il montra également que l'électrisation de l'extrémité d'une corde mouillée se transmet presque instantanément à l'autre l'extrémité, quand bien même celle-ci serait très longue (1.200 pieds).
Johann Winkler (1703-1770 conçoit, dans les années 1740,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) en 1743, à partir d'une machine électrostatique archaïque d'Otto van Guericke, il construit une machine 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.
Ewald Jürgen Georg von Kleist (1700 – 1748) se sert d'une machine électrostatique archaique (Otto von Guericke). Lorsqu'il pose la main sur la boule en faisant tourner l'axe rapidement, il constate la présence d'une charge d'électricité statique et se pose la question : « comment conserver cette charge ? »
Pour stocker ce fluide appelé électricité, il eut, en 1744, 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.
Cependant en France, Nollet,(1700 – 1770), ancien éléve de Du Fay, reste , en 1740, convaincu de la supériorité de sa main sur les coussins de cuir, dut-il risquer de se blesser au cas où le globe viendrait à se briser, ce qui se produisit lors d´une de ses démonstrations. Enfin, en Allemagne et en Angleterre, le globe est parfois remplacé par un cylindre.
L'abbé Nollet, en1745, dans un mémoire destiné à l'Acadénie des sciences mentionna pour la première fois sa théorie des « effluences et afflluences simultanées » expliquait les attractions et répulsions électrostatiqes par la présence de deux courant de fluides antagonistes. Les théories de l'abbé Nollet firentent autorité jusqu'en 1752.
Indépendamment les uns des autres, plusieurs physiciens remplacent le globe par un disque de verre. Moins sujettes aux accidents, les machines à disque s´imposent dans les années 1760. Le disque de la machine du duc de Chaulnes, encore visible au Musée des arts et métiers de Paris, a un diamètre d´un mètre cinquante et fournit, affirme-t-il, des étincelles mesurant jusqu´à cinquante centimètres !
Les variantes sont nombreuses. Des machines destinées aux médecins pratiquant l´électricité médicale, comme la machine à cylindre du constructeur anglais Nairne, pouvaient fournir à volonté électricité positive ou négative, selon que le conducteur est mis en relation avec le verre ou avec les coussinets.
Le verre était très sensible à l´humidité de l´air, si défavorable à l´excitation électrique. C´était aussi un matériau coûteux. Sous forme de cylindres ou de disques, on essaye les matériaux les plus variés. Des cylindres de bois sec, frottés par des coussins de laine ou de cuir, fournissent de l´électricité négative. Van Marum construit une machine où un disque de gomme laque est frotté par du mercure contenu dans un bac
Edward Nairne (1726-1806) était un luthier opticien anglais et scientifique.. Il conçut, en 1782, ce générateur électrostatique à des fins médicinales.
Le verre garde sa suprématie, et devient lui-même objet d´étude : bleu ou incolore ? mince ou épais ? de Bohême ou de St-Gobain en Picardie ? Les avis divergent. Toutefois dans les années 1780, il est clair que le verre s´électrise d´autant mieux qu´il contient moins de sels alcalins.
Diverses techniques sont utilisées pour maintenir le globe en rotation rapide. Johann Winkler, un professeur de langues et collègue de Bose à Leipzig, remplace la main par un coussin de cuir. Des machines sont construites avec plusieurs globes en rotation, frottant chacun sur des coussins. Ces nouvelles techniques allemandes sont rapidement diffusées par Winkler.
Pour le musée Teyler qu´il dirige à Haarlem en Hollande, Van Marum fait construire la machine de tous les records : construite en 1784, elle comporte deux disques de plus d´un mètre cinquante de diamètre, et deux assistants actionnent simultanément les manivelles (ou même quatre, selon la durée de l´expérience). Les étincelles obtenues atteignent soixante centimètres.
Dans certains modèles, ce sont les coussins qui tournent et le verre qui reste fixe. Finalement c´est la machine à disque vertical tournant, dite de Ramsden, qui s´impose dans les années 1780, jusqu´à la fin du XIXe siècle où elle est encore présentée dans les manuels scolaires comme "la plus ordinairement employée
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 propose une version nouvelle du « feu électrique ». « L'électricité est un fluide subtil, une matière molle, élastique et impondérable, qui imprègne tous les corps. En frottant deux objets, on arrache tout simplement de l'électricité à l'un pour le donner à l'autre » Il attribue le signe plus au corps où l'électricité est condensée et le signe moins à celui où elle est raréfiée. L'électricité "vitreuse"de Charles du Fay, celle qui se crée le plus fréquemment fut dite positive et l'électricité "résineuse " devint négative. Bien sûr, lors de la mise en contact de deux corps de signes contraires, l'électricité ne pouvait s'écouler que dans le sens du « plus vers le moins ».En revanche, Benjamin Franklin, ne sut expliquer la répulsion entre deux corps électriques de même signe.
Benjamin Franklin 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.
Franz Ulrich Theodor Aepinus (1724 - 1802) démontre, en 1759, l'existance d'une interaction à distance de l'électricité , similaire à l'interaction gravitationnelle. d'autres scientifiques acceptent cette idée
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.
Les machines électrostatiques et la bouteille de Leyde, permettent de faire des étincelles mais n'ont aucune utilité dans la vie courante.
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
La loi de Coulomb
Charles Coulomb (1736 – 1806) après une carrière militaire en 1777, il publie un mémoire intitulé « Recherches sur la meilleure manière de fabriquer les aiguilles aimantée. » et voit adapté "son compas magnétique suspendu à 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 Michelle (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 Faye (1698 – 1739) et l'abbé Nollet (1700 – 1770) selon lesquelles il y a deux espèces d'électricité : positive et négative.
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 :
Par la suite il développe la théorie de l'électrisation superficielle des conducteurs. En 1786 il énonce l'effet d'écran électrique produit par les conducteurs creux. Il introduit, en 1789, la notion de moment magnétique et crée la théorie de la polarisation.
Remarque : on retrouve ici le raisonnement logique :, 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.
Plus tard encore, Charles Coulomb (1736 – 1806) ayant observé ces mêmes phénomènes constate qu'ils répondent à des lois et en déduit pour l'électricité et le magnétisme les formules simples ci-dessus.
Abraham Bennet (1749 – 1799) crée, en 1786, l'électroscope à feuille d'or qui permet de déceler de très faibles variations de charges électriques
