Phénomènes fondamentaux de l'électricité

Il y a 2 500 ans, deux phénomènes d'attraction étaient connus des grecs :

Le premier phénomène est à l'origine de la théorie du magnétisme :

Cette pierre, la magnétite, conserve sa propriété d'attraction au cours du temps.

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Figure 1. Morceau de magnétite qui attire une aiguille de fer

Un objet en fer acquiert lui aussi des propriétés magnétiques lorsqu'il a été soumis à un champ magnétique : on parle alors d'aimantation rémanente. C'est avec de petites aiguilles aimentées qu'au II^ème siècle, les chinois inventèrent la boussole. Cette invention, transmise par les Arabes, arriva en Europe au XII^ème siècle.

Ambre se disant " elektron " en grec, le deuxième phénomène est à l'origine de la théorie de l'électricité.

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Figure 2. Morceau d'ambre

En 1733, Charles François Du Fay (1698-1739) observe que l'électricité produite n'a pas les mêmes propriétés si on frotte du verre ou une résine. Il a défini une électricté de type vitreuse et une électricité de type résineuse.

Franklin a introduit plus tard la notion de charges électriques qui peuvent être positives ou négatives.

Pour étudier les phénomènes dûs à l'électricité, on chercha des moyens pour en accroître leur importance.

Dans la machine de Ramsden, le corps à électriser est un disque de verre que l'on fait tourner avec une manivelle entre deux frotteurs en tissu. Des charges électriques apparaissent ainsi à sa surface. C'est l'effet triboélectrique.

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Figure 3. Machine de Ramsden

Grâce au pouvoir des pointes, des effluves se produisent et provoquent le transfert des charges du disque vers le cylindre conducteur relié aux pointes. La tension créée par ces charges transférées peut atteindre plusieurs milliers de volts !

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Figure 4. Principe de fonctionnement de la Machine de Ramsden

Pour conserver les charges plus longtemps et avoir à leur disposition une réserve permettant plus facilement d'étudier les phénomènes électriques, les physiciens ont eu l'idée de mettre ces charges en bouteille. Presque simultanément, von Klein (1700-1758) en octobre 1745 et Musschenbroek (1692-1751) en janvier 1746, ont réussi l'opération qui aboutit à la réalisation du premier condensateur : la bouteille de Leyde. Au début, ne prenant pas de précautions, les expérimentateurs reçurent de fortes décharges !

Dans sa forme définitive, la bouteille de Leyde comporte des métallisations interne et externe appelées armatures du condensateur. Celles-ci sont séparées par l'épaisseur du verre (le diélectrique).Benjamin Franklin (1706-1790) a montré que les charges portées par les armatures étaient en nombre égal mais de signe contraire.

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Figure 5. Bouteilles de Leyde

Benjamin Franklin était un autodidacte. Il joua un rôle important en faveur de l'indépendance des Etats-Unis, fut l'un des rédacteurs et signataires de la Déclaration d'Indépendance. Il fut également le premier ambassadeur des Etats-Unis en France.

Passionné de sciences, on lui doit les verres de lunettes à double foyer et le paratonnerre.

En ce qui concerne le paratonnerre, sa démarche fut la suivante :

Ayant muni d'une pointe métallique un cerf-volant relié par un fil de chanvre conducteur à une clé métallique, Franklin vérifia que les nuages étaient chargés d'électricité. Sa protection était assurée par un cordon de soie isolant attaché à la clé. En envoyant le cerf-volant dans les nuages d'orage, il obtint des étincelles à l'endroit de la clé et chargea une bouteille de Leyde. L'utilisation du paratonnerre pour évacuer les charges de l'éclair à la terre s'est vérifiée donc efficace.

En France, l'intérêt du paratonnerre donna lieu à des débats passionnés. Robespierre fut un ardent défenseur de son utilisation, lors d'une plaidoirie remarquable.

La " maisonnette " de Franklin avait un but pédagogique : montrer aux gens le grave danger qu'ils courraient en ne munissant pas le sommet de leur maison d'une pointe métallique reliée à la terre pour canaliser l'écoulement de la foudre dans le sol. S'il n'y a pas de fil conducteur, la maison est alors incendiée par la foudre.

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Figure 6. Reproduction de l'expérience de Franklin

Professeur d'anatomie italien, Galvani (1737-1798) a étudié la contraction des muscles de grenouille sous l'effet de l'électricité. Il a observé que mettre un couple de métaux différents en contact avec un nerf provoquait la contraction du muscle.

Physicien italien, Volta (1745-1827) en déduisit que deux métaux différents mis en contact pouvaient être source d'électricité. Pour amplifier le phénomène, Volta eu l'idée d'empiler des couples de disques de cuivre et de zinc en les séparant par du papier rendu conducteur à l'aide d'une solution acidulée. Il réalisa ainsi la première pile, source continue de charges électriques.

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Figure 7. Pile de Volta

Les extrémités d'un aimant sont appelées les pôles. Si l'aimant est un barreau et si on lui laisse une certaine liberté de mouvement, on constate qu'il s'oriente suivant une direction Nord-Sud. Une application de ce phénomène est la boussole.

Il y a un pôle nord et un pôle sud. Lorsque deux aimants sont mis en présence l'un de l'autre, on constate que les pôles de même nom se repoussent et que les pôles de nom contraire s'attirent.

La figure 8 est la photographie d'un aimant mis en présence d'aiguilles aimantées. L'aimant modifie son espace environnant en créant un champ magnétique. Chaque aiguille va s'orienter en fonction du champ magnétique qu'elle subit. L'ensemble dessine les lignes de force du champ magnétique. On aurait aussi pu utiliser des grains de limaille de fer pour dessiner les lignes de champ.

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Le pôle Nord de l'aimant est peint en rouge.

Figure 8. Lignes de champs créées par un aimant

Après des études, les premières à caractère vraiment scientifique par rapport à ses prédécesseurs, concernant les phénomènes magnétiques et électriques, William Gilbert (1544-1603) a nettement séparé le domaine du magnétisme et celui de l'électricité. Grâce à la pile de Volta qui pouvait fournir en continu des charges électriques, Ampère (1775-1863) va associer ces deux domaines dans la théorie de l'électromagnétisme.

En 1819, Le physicien Hans Christian Oersted (1777-1851) découvrit qu'un courant électrique parcourant un fil entraînait la déviation d'une boussole placée à proximité.

Ampère expliqua l'expérience d'Oersted par l'hypothèse suivante : comme dans le cas de l'aimant, un courant électrique crée un champ magnétique dans son environnement. Il peut donc agir sur un aimant.

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Le Bonhomme d'Ampère est couché à plat ventre sur le conducteur, le courant rentre par ses pieds et sort par la tête. Son bras gauche indique le sens et la direction du champ magnétique B créé.

Figure 9. Le Bonhomme d'Ampère

De même que le champ magnétique produit par un courant électrique exerce des forces sur un aimant (expérience d'Oersted), réciproquement, le champ magnétique dû à un aimant exerce des forces sur un circuit parcouru par un courant.

La loi de Laplace caractérise la force que subit un conducteur parcouru par un courant I placé dans un champ magnétique B : sur chaque élément du conducteur, la force subie est proportionnelle au courant I et à l'intensité du champ magnétique B et elle est perpendiculaire à l'élément de courant et au champ magnétique.

De même qu'un circuit parcouru par un courant électrique et placé dans le champ magnétique d'un aimant est soumis à des forces (expérience précédente), un circuit parcouru par un courant électrique subit des forces lorsqu'il est placé dans le champ magnétique produit par un autre courant électrique.

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Figure 10. Illustration de la loi de Laplace

Le solénoïde, inventé par Ampère, est un bobinage cylindrique de fil conducteur.

Lorsqu’il est parcouru par un courant électrique, le solénoïde produit un champ magnétique qui est mis en évidence par la déviation des boussoles qui l’entourent. Dans la figure 10 (cliquez sur l'image pour l'agrandir), comme les petits grains de limaille, les petites boussoles vont s'orienter en suivant les lignes de force du champ magnétique. Ces lignes de force sont identiques à celles que produirait un barreau aimanté à la place du solénoïde.

D’après Ampère, un solénoïde parcouru par un courant électrique a les mêmes propriétés qu’un aimant : effectivement, lorsqu’il est soumis au champ magnétique terrestre, le solénoïde, s'il a une liberté de mouvement, s’oriente dans la direction Nord- Sud.

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Figure 11. Solénoïde

Depuis 1794 le télégraphe optique de Chappe permettait la transmission de messages à grande distance au moyen de signaux visuels transmis de proche en proche ; évidemment, le système ne pouvait fonctionner que les jours sans brouillard. Ampère proposa le principe d’un télégraphe électrique plus rapide et pouvant fonctionner jour et nuit.

A chacun des caractères de l’alphabet sont associées (figure 12) :

Pour transmettre un caractère, l’expéditeur, appuie sur la touche correspondante du clavier, ce qui ferme la liaison conductrice et fait dévier la boussole affectée à ce caractère. Le destinataire sait alors quel est le caractère envoyé. L’inconvénient de ce dispositif est le grand nombre de fils nécessaires, et leur longueur quand la liaison est à grande distance, ce qui empêcha sa réalisation

C’est Samuel Morse qui, en 1832, proposa une solution économiquement réalisable : transmettre les caractères, les uns après les autres, sur une liaison unique entre expéditeur et destinataire, chacun des caractères étant codé à l'aide d’une combinaison de traits et de points (code Morse). Autre intérêt, à la réception, le message peut être enregistré.

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Figure 12. Télégraphe d'Ampère

L’aimant ordinaire est dit permanent car ses effets magnétiques sont constants.

Un électroaimant est formé d’un solénoïde entourant un noyau de fer doux. En l’absence de courant dans le solénoïde, le noyau de fer n’est pratiquement pas aimanté. Quand un courant parcourt le solénoïde, il crée un champ magnétique qui aimante le noyau de fer. Celui-ci acquiert alors les propriétés d’un aimant. Lorsque le courant est coupé, le fer perd ses propriétés magnétiques. Un électroaimant est donc un aimant que l’on peut commander par un courant électrique.

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Figure 13. Electroaimant

On a vu précédemment, qu’un conducteur parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique subit la force de Laplace qui peut entraîner sa mise en mouvement

Plusieurs physiciens ont cherché à faire en sorte que ce mouvement soit une rotation.

Par différentes dispositions de l’aimant et du conducteur, Faraday en 1821, Ampère en 1822, et Barlow en 1828, ont ainsi obtenu des dispositifs tournants qui sont des préfigurations des moteurs électriques.

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Figure 14. Moteur électrique d'Ampère (1822)

C’est par l’expérience présentée ici que Faraday a mis en évidence, en 1831, le phénomène d’induction et qu’il en a donné la bonne interprétation.

Interprétation de l'expérience de Faraday

Dans l’expérience de Faraday, il y a deux bobines, A et B enroulées chacune sur la moitié d'un anneau de fer doux dont elles sont isolées par des rubans de tissu. Il n'existe pas de liaison électrique entre elles. La bobine A est connectée à une pile par un interrupteur. Les extrémités de la bobine B sont reliées par un fil, l’ensemble formant un circuit fermé. Lorsque l’on ferme l’interrupteur, un courant s’établit dans la bobine A, provoquant l’apparition d’un champ magnétique et donc une variation de flux magnétique à travers la bobine B : celle ci est alors le siège d’une force électromotrice d’induction et d’un courant induit que l’on détecte par la déviation d’une boussole placée au voisinage du fil. Lorsque l’on ouvre l’interrupteur, les mêmes phénomènes se produisent mais en sens inverse.

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Lorsque la bobine A est alimentée, on observe un mouvement oscillatoire amorti de l'aiguille proche du fil de cuivre du circuit relié à la bobine B.

Figure 15. Reproduction de l'expérience de Faraday

En provoquant l'aimantation temporaire du fer doux, puis en la supprimant, Faraday avait engendré dans une bobine (B), couplée à la première (A) par l'anneau magnétique, un courant électrique d'induction de sens inverse à celui du courant inducteur. L'anneau de Faraday a constitué le premier « transformateur » électrique à noyau magnétique.

Ces dispositifs exploitent le phénomène d’induction pour établir une tension électrique.

La machine de Pixii (1832)

Un aimant tourne devant deux bobines fixes : le déplacement de l’aimant provoque dans les bobines une variation du flux magnétique qui produit une force électromotrice d’induction : c’est la tension délivrée par le générateur.

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Figure 16. Machine de Pixii

La machine de Clarke (1835)

L’aimant est fixe et ce sont les bobines qui tournent devant lui. Ce mouvement va entraîner dans les bobines une variation du flux du champ magnétique qui les traverse et donc l'apparition d'une force électromotrice d’induction : tension délivrée par le générateur.

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Figure 17. Machine de Clarke