Comment Branly a découvert la radio

11/10/2017
Publication REE REE 2005-8
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Comment Branly a découvert la radio

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L'ANNÉE MONDIALE DE LA PHYSIQUE Comment Branly a découvert la radio Jean-Claude Boudenot Thales Research & Technology, Membre Émérite de la SEE E n cette année mondiale de la physique, il est largement question des décou- vertes d'Einstein et de son année merveilleuse de 1905. Par un heureux hasard de circonstance, alors que le 30 juin 1905 est la date officielle de naissance de la relativité restrein- te (jour où l'article d'Einstein est reçu par son éditeur, les Annalen der Physik), Edouard Branly présente au Trocadéro, également le 30 juin 1905, ses célèbres expériences de télémécanique devant plus de cinq mille personnes émerveillées. En dehors de cette étrange coïncidence calendaire, il y a entre ces deux savants au moins deux autres points communs. Le premier est la télégraphie : tandis que Branly est à l'origine de la télégraphie sans fIl, c'est le problème de la synchronisation des horloges par télégraphie qui conduira Einstein à remettre en cause la notion bien établie de temps absolu 1. Le second point commun est l'effet photoélectrique: c'est en étudiant certaines particulalités de cet effet que Branly va découvrir, le 24 novembre 1890, le phénomène de la radioconduction, tandis que c'est Einstein qui interprétera, le 17 mal's 1905, l'effet photoélectrique, mettant ainsi fin à l'une des énigmes les plus délicates de la physique. Dans le cadre de l'année mondiale de la physique, il nous a semblé juste de faire mieux connaître les circons- tances de la découverte de Branly, qui donnera ensuite lieu au développement considérable de la TSF, puis de]a radio. Découverte des ondes hertziennes et de l'effet photoélectrique Un point de départ: les équations de Maxwell Dès 1861, dans un article consacré aux lignes de champ de Faraday, Maxwell (1831-1879) prévoit l'existence des ondes électromagnétiques: « Nous ne pouvons guère éviter d'inférer, dit Maxwell, que la lumière n'est autre que les ondulations transverses du même milieu qui est la cause des phénomènes élec- triques et mécaniques ». Le savant écossais élabore une synthèse remarquable qui le conduit en 1868 à établir les équations du champ électromagnétique (appelées à juste titre « équations de Maxwell »), véritable synthèse englobant électricité, magnétisme et optique. Le grand physicien autrichien Ludwig Boltzmann (1844-1906) écrira à propos de ces équa- tions, en paraphrasant le Faust de Goethe: « Fut-ce un Dieu qui écrivit ces sign.es ? ». Alors qu'aujourd'hui encore les équations de Maxwell constituent un outil extrêmement puissant pour l'étude des phénomènes électromagnétiques, à l'époque de Maxwell les physiciens ne percevaient pas encore, pour la plupart, toute la richesse de ce travail. La mise en perspective de la théorie du physicien écossais sera faite par quelques « maxwelliens » : FitzGerald, Heaviside, Larmor et Lodge en Angleterre; Hertz en Allemagne; Lorentz en Hollande ; Poincaré en France. Hertz entre en scène Une conséquence spectaculaire des équations de Maxwell est qu'une onde lumineuse résulte du cou- plage entre le champ électrique et le champ magné- tique. Les ondes lumineuses (visibles) ont une lon- gueur d'onde variant de 0,4 /lm (violet) à 0,8 /lm (rouge), mais rien n'empêche dans la théorie de Maxwell d'avoir des ondes d'autre longueur d'onde: 1000 m ou 500 m ou 1 mm ou n'importe quoi d'autre! La détection de telles ondes permettrait de valider la théorie de Maxwell. L'existence de ces ondes aurait pu être mise en évidence par Thomas Edison, Elihu Thomson ou Hendrick Antoon Lorentz, mais elles ne seront découvertes véritablement que par Hertz. La production d'ondes électromagnétiques sera annoncée par Hertz (1857-1894) en juin 1888 dans 1 Sur ce point nous conseillons la lecture du très bon ouvrage de Peter Galison : L'empire du temps, les horloges d'Einstein et les cartes de Poincaré, Ed. Robert Laffont. REE N08 Septembre 2005 L'ANNÉE MONDIALE DE LA PHYSIQUE les Comptes rendus de l'Académie de Berlin. Après une formation d'ingénieur architecte à l'université de Francfort et un passage à l'Institut polytechnique de Dresde, Hertz s'oriente finalement vers l'étude des sciences de la nature à Munich. En octobre 1878, il part pour Berlin afin de suivre une formation doctorale. Il a pour professeurs deux grands physiciens : Kirchhoff et Helmholtz 2. En 1880, une fois obtenu son doctorat de physique, il devient l'assistant de Helmholtz qui lui donne ses premiers sujets de recherche. En 1883 il obtient un poste de maître de conférence à l'université de Kiel mais, ne disposant pas de laboratoire, il va se consacrer à des études théoriques : elles portent sur la théorie électrodyna- mique de son maître Helmholtz. Hertz est ensuite nommé, au tout début 1885, professeur de physique expérimentale à Karlsruhe, où il succède à Ferdinand Braun qui laisse un laboratoire bien équipé. C'est dans cette université qu'il va accomplir les travaux qui allaient le rendre universellement célèbre. Le diapason électrique Hertz, formé par Helmholtz, se consacre à une étude suggérée par son ancien professeur: déterminer l'action électrodynamique des courants dans les iso- lants. Il est difficile de dire si Hertz a été également inspiré, à cette époque, par la théorie « concurrente» à celle de Helmholtz, à savoir celle de Maxwell prédisant l'existence d'ondes électromagnétiques. Toujours est-il qu'il s'est probablement posé la question de savoir comment il serait possible de produire de telles ondes? S'il s'agissait d'ondes acoustiques, il suffIrait d'utiliser un diapason. En frappant sur l'une de ses tiges, une vibration méca- nique se produit qui met à son tour en mouvement l'air avoisinant et ce sont ces vibrations qui sont per- ceptibles par l'oreille. Hertz sait cela d'autant mieux que son ancien mentor, Helmholtz, est l'un des maîtres en acoustique physique et physiologique. La grande différence porte sur la fréquence, le la du diapason correspond à 440 vibrations par seconde (440 hertz !), mais un circuit électrique susceptible d'émettre une onde électromagnétique doit osciller à une centaine de millions de vibrations par seconde ! Hertz se dit alors qu'il faudrait constituer une sorte de diapason électrique. li décrit lui-même son dispositif de la façon suivante : « La disposition envisagée constitue une sorte de diapason électrique. La théorie conduit d'une manière parfaitement sûre à cette conception et elle permet en outre d'évaluer avec une certaine approximation la durée d'oscillation de ce diapason à un cent-millionième de seconde ». Son dispositif est formé d'un fil de cuivre (d'environ 5 mm de diamètre et 1,5 m de longueur) terminé à chaque extrénùté par une sphère métallique de 30 cm de diamètre, et coupé en son milieu par deux petites boules en laiton de 3 cm de diamètre, séparées entre elles d'un écart très faible et réglable (cette partie constitue l'éclateur). Cette tige est connectée à une bobine de Ruhmkorff dont les décharges produisent des courants qui oscillent rapidement d'une extrénùté à l'autre du circuit 3. Après quelques va-et-vient, une étincelle éclate entre les deux boules. Ce diapason électrique constitue le circuit primaire de Hertz, encore appelé excitateur, ou émetteur, puisque c'est lui qui produit les ondes. Hertz commente son image de diapason: « Pour qu'un semblable diapason vibre, il faut que l'action excitatrice se produise ou cesse d'une manière suffisamment instantanée, c'est-à-dire dans un temps qui soit du même ordre que la durée d'oscil- lation. n n'est pas possible de réaliser des change- ments aussi brusques par des procédés mécaniques, mais l'étincelle électrique sous la forme spéciale que nous avons décrite nous en donne le nwyen ». Le prin- cipe est le suivant: lorsque les deux grosses sphères sont soumises à la décharge de la bobine de Ruhmkorff, l'une se charge d'électricité positive, l'autre d'électricité négative, puis la bobine cesse d'agir. « Les deux électricités se combineront, dit Hertz, mais le courant ainsi développé se prolongera au-delà de cette combinaison même, et créera sur les deux sphères des charges inverses de celles qu'elles présentaient d'abord,. celles-ci provoqueront une nouvelle décharge, et ainsi de suite, il se produira de la sorte une série d'oscillations entre les deux sphères. » Un détecteur simplifié: le résonateur de Hertz La détection de l'onde se fait par un circuit secon- daire, formé d'un simple fil de cuivre en forme de cercle ou de carré, coupé lui aussi par deux petites boules métalliques formant un éclateur. Ce circuit secondaire est également appelé résonateur, car il résonne avec le primaire. Le 13 novembre 1886, 2 Max Planck, qui suit alors sa dernière année d'érudes à Berlin, a les mêmes illustres professeurs. Il n'est pas impossible qu'il y ait croi- sé Hertz, érudiant comme lui dans cette ville. 3 Le calcul de la fr~ence de ce diapason électrique est très simple. D'après la théorie de William Thomson (futur Lord Kelvin) elle est égale à j=1/2/t.[LC où C est la capacité des deux sphères placées à grande distance l'une de l'autre et L l'inductance du fil de cuivre reliant ces deux sphères. REE 08 Septembre 2005 L'ANNÉE MONDIALE DE LA PHYSIQUE Hertz note dans son journal que des courants induits dans le circuit primaire apparaissent dans le circuit secondaire. Même si pour l'instant les deux circuits ne sont séparés que d'un mètre cinquante, les étin- celles du secondaire sont extrêmement faibles. La longueur des étincelles est inférieure au millimètre, elle peut même descendre au centième de millimètre. Ces minuscules étincelles ne peuvent être vues que dans l'obscurité, parfois même à l'aide d'une loupe, mais heureusement leur grésillement caractéristique permet de déceler leur présence à l'oreille. Hertz indique lui-même que « les étincelles sont microsco- piques, à peine longues d'un centième de millimètre, leur durée est inférieure à un millionième de seconde. Il paraît impossible, presque inconcevable, qu'elles soient visibles: et pourtant elles le sont, dans une chambre obscure et pour un œil reposé ». En expéri- mentateur minutieux, Hertz refait plusieurs fois l'expérience et, du 25 au 27 janvier 1887, pour mieux voir les étincelles il enferme l'éclateur du secondaire dans une boîte. À sa surprise, il constate qu'en faisant cela, les étincelles s'affaiblissent de façon nette. Hertz rend compte de son constat : « Dans une série d'expériences sur les effets de résonance entre des oscillations électriques très rapides, deux étincelles électriques sont produites simultanément par une /;obine d'induction. L'étincelle A est celle du primaire, l'étincelle B celle du secondaire. J'ai enfermé l'étin- celle B dans un compartiment obscur de façon à faire les observations plus facilement,. j'ai alors constaté que la longueur maximale de cette étincelle diminuait ». Il comprend que quelque chose de nouveau se produit et décide d'interrompre ses explorations antérieures pour se consacrer à l'étude du nouveau phénomène. La découverte de l'effet photoélectrique Au printemps et à l'été 1887 Hertz montre que ce sont les rayons ultraviolets présents dans les étin- celles du primaire qui sont l'origine du phénomène observé. Pour cela il utilise un spectroscope constitué d'une source lumineuse (une étincelle ou un arc) et d'un élément dispersif permettant de sélectionner la longueur d'onde du rayonnement incident. Le rayon- nement de longueur d'onde choisie est envoyé sur le circuit secondaire après avoir traversé un milieu qui absorbe plus ou moins les rayons UV. Hertz interpo- se successivement entre la source de rayonnement et le secondaire : du quartz ; du gaz de houille ; une mince plaque de mica ; du verre. Il trouve que le quartz (qui est transparent aux rayons ultraviolets) n'affecte pas le phénomène tandis que le verre et le mica, et dans une moindre mesure le gaz de houille, sont « opaques au rayonnement à l'origine du phéno- mène observé» (c'est-à-dire aux UV). En juillet 1887, Hertz fait part de ses résultats à la communauté scientifique en publiant un article intitulé: « Sur un effet de la lumière ultraviolette sur les décharges élec- triques ». Il précise dans cet article qu'il se « borne à présent à communiquer les résultats obtenus, sans essayer de bâtir une théorie expliquant l'origine des phénomènes observés ». Ce que Hertz vient de décou- vrir, c'est « l'effet photoélectrique ». L'étude de cet effet photoélectrique va être poursuivie par Wilhelm Hallwachs, puis par Philipp Lenard. C'est en appro- fondissant les expériences d'Hallwachs qu'Edouard Branly va de son côté découvrir le phénomène de la radioconduction qui allait déboucher sur la TSF, puis sur la radio. Par ailleurs l'analyse expérimentale quantitative de Philipp Lenard va conduire à une grave crise de la physique. L'effet photoélectrique ne trouvera pas d'interprétation dans le cadre de la théo- rie électromagnétique de Maxwell, il en constitue une première limite. Il faudra attendre 1905 et Albert Einstein avant d'entrevoir une solution... qui mettra vingt ans à s'imposer! Ainsi, par un étrange concours de circonstances, Hertz allait découvrir un phéno- mène qui représente les limites de la théorie de Maxwell, avant de mettre en évidence les ondes élec- tromagnétiques qui allaient en constituer la plus grande victoire ! La découverte des ondes électromagnétiques Avant de poursuivre ses recherches sur les ondes électromagnétiques, Hertz étudie l'influence, suggé- rée par Helmholtz, des étincelles du primaire sur des isolants tels que du bois et du papier. Il ne constate rien de particulier; notons que s'il avait orienté ses recherches sur l'influence des étincelles du primaire sur des mauvais conducteurs (limailles métalliques par exemple), il aurait peut-être découvert l'effet de radioconduction ! Finalement, à l'automne 1887, il reprend le fil de ses travaux et semble pris d'une véri- table frénésie de recherche comme l'atteste l'inter- ruption des lettres qu'il écrivait pourtant régulière- ment à ses parents. Il s'enferme dans son laboratoire et obtient, suivant les mots de sa femme, « d'admi- rables résultats ». Hertz à ce moment relie le primaire à un long fil et découvre que des oscillations sta- tionnaires se produisent dans le fil, lesquelles sont détectables par le secondaire. L'onde stationnaire résulte de la superposition de l'onde émise par le primaire et de l'onde réfléchie par l'extrémité du fil. Il apparaît des nœuds (amplitude nulle de l'onde) et des ventres (amplitude maxirnum de l'onde) repé- rables par l'absence ou la présence d'étincelles dans le secondaire. Hertz est heureux, il fait part de ses observations à Helmholtz: « Je suis arrivé à produire des ondes stationnaires présentant de multiples REE W8 Septembre 2005 L'ANNÉE MONDIALE DE LA PHYSIQUE nœuds dans des fils conducteurs rectilignes. En me limitant à 4 ou 5 nœuds, je peux les faire apparaître avec autant de netteté que ceux d'une corde vibrante. » Ces « ondes dans les fils» l'occupent jusqu'à fin décembre 1887. Le 23 décembre il découvre comme un « beau cadeau à la veille de la nuit de Noël» les premiers indices d'une propagation à vitesse finie. Le 27 décembre il parle « d'ondes aériennes» qui devien- dront les « ondes hertziennes ». Le 29 décembre il constate que ces « ondes aériennes» sont réfléchies par des écrans métalliques. Au premier trimestre 1888, Hertz poursuit ses recherches avec l'aide de son fidèle technicien Julius Amann. Cette année-là les vacances de Pâques commencent le lundi 12 mars. L'Allemagne est en deuil, l'empereur Guillaume lor vient de s'éteindre. Vacances et période de deuil font que l'université est vide. Au premier étage de la Technische Hochschule, l'amphithéâtre est désert. C'est une grande salle presque carrée de 15 m de long et de 14 m de large. Les ondes produites par Hertz ont 9 III de longueur d'onde, impossible de vérifier si elles peuvent former des ondes stationnaires dans une petite pièce, par contre dans l'amphithéâtre... Ces vacances de Pâques tombent à point nommé. Hertz et son technicien transforment la salle de cours en laboratoire: ils installent une sorte de passerelle dans l'allée centrale, elle est située à mi-hauteur pour éviter au maximum les réflexions parasites des ondes élec- triques sur le sol ou sur le plafond. Au fond de la salle ils disposent une plaque de zinc (formant miroir) de quatre mètres sur deux, posée sur un échafaudage de bois. L'« émetteur» (ou plutôt l'oscillateur de Hertz qu'il appelle le primaire) est disposé verticalement à 2,5 m au-dessus du sol, au bout de la passerelle à 13 m du miroir et à 2 III du mur. L'éclat de l'étincelle de ce primaire est masqué par un écran de bois pour éviter qu'il ne perturbe le petit éclateur du secondaire (à cause de « l'effet photoélectrique »). Tandis qu'Amann actionne le primaire, Hertz, dans l'obscu- rité, se faufile le long de la passerelle, déplace son résonateur et cartographie l'état de l'onde stationnaire. À environ 4 mètres du miroir il peut localiser un premier nœud, assez net. n en observe un second, beaucoup plus flou à 9 mètres. Le jeudi 15 mars 1888, Hertz, pour la première fois, dessine une onde élec- tromagnétique stationnaire, on peut y voir les nœuds et les ventres du champ magnétique et du champ élec- trique. Il est le premier à produire, à détecter et à comprendre l'existence d'ondes électromagnétiques. Il peut fièrement rapporter ses observations à son maître Helmholtz : « Les ondes électrodynamiques dans l'air se réfléchissent sur les parois conductrices et, à angle d'incidence nul, les ondes réfléchies inter- fèrent avec les ondes incidentes et génèrent des ondes stationnaires dans l'ait: Sur les premières longueurs d'ondes comptées à partir de la paroi, les indices sont très clairs et nombreux, et je crois que la nature ondulatoire du son dans l'espace libre ne saute pas aussi clairement aux yeux que celle de cette propagation électrodynamique. » Hertz rédige un article où il relate ses expériences, qu'il transmet à l'éditeur le 1" avril 1888. « Ces expériences, éClit Hertz, montrent la pro- pagation de l'induction sous forme d'ondes à travers l'air sous une forme visible et presque tangible» 4. De plus il peut vérifier directement la vitesse de pro- pagation qui coïncide avec celle de la lumière, comme prévu par la théorie de Maxwell. Les expériences de Hertz en France et en Europe Les premières reproductions publiques des expé- riences de Hertz sont effectuées en France au prin- temps 1889. On les doit à deux physiciens, Joubert et Nerville. Jules Joubert est l'un des membres fonda- teurs de la Société française de physique (SFP) ~t auteur avec Éleuthère Mascart (professeur au ColIège de France et fondateur de l'Ecole supérieure d'élec- tricité) d'un traité intitulé: Leçons d'électricité et de magnétisme. Guillebot de Nerville est ingénieur de l'administration des télégraphes, ancien élève de l'École supérieure de télégraphie (devenue depuis l'École nationale supérieure des télécommunications 5), et responsable du Laboratoire central d'électricité (LeE). C'est dans les locaux du LCE que Joubert et Nerville préparent la démonstration dans une salle de 15 m de long par 14 m de large, qui n'est pas sans rappeler celle utilisée par Hertz à Karlsruhe. Les vendredis 24 mai et 31 mai 1889, les deux physiciens français invitent les membres de la Société française de physique et ceux de la Société internationale des électriciens (future SEE) à venir assister à la réplique des expériences de Hertz 6. L'expérience des ondes stationnaires est reproduite (en utilisant un miroir de 6 mètres sur 4 !) : une évolution du secondaire de Hertz (à la place de deux petites sphères métalliques ils utilisent une petite sphère, et en regard une pointe) 4 Notons que, interrogé sur les applications pratiques de ces ondes, Hertz répondit qu'il n'en voyait aucune. Il ne connaîtra malheureuse- ment pas le développement considérable de sa découverte; il meurt en 1894 à 36 ans, ce qui fera dire à Helmholtz: « A l'époqu.e clas- siqu.e, on aurait dit qu'il a été sacrifié à l'envie des Dieux ». ~ ~e mot "télécommunication" a été introduit en 1903 par l'ingénieur télégraphiste Estaunié. Edouard Branly, étant membre de la Société française de physique depuis sa création en 1873, a peut-être a sisté à cette démonstration. REE W8 Septembre 2005 L'ANNÉE MONDIALE DE LA PHYSIQUE permet d'obtenir des étincelles plus brillantes. Une fois le détecteur bien réglé « on obtient, lit-on dans le compte rendu des expériences, des étincelles très brillantes atteignant 7 à 8 mm dans le voisinage de l'excitateur, mais qui sont encore visibles dans toutes les autres salles, dans la cour, dans la rue, même à plus de 50 m de distance et à travers plusieurs murs ». La notoriété de Hertz ne cesse de grandir et plusieurs groupes de physiciens, un peu partout en Europe, refont les expériences de Karlsruhe. Édouard Sarasin et Lucien de la Rive remarquent à Genève en 1899 que: « La longueur d'onde susceptible d'être consta- tée dans le mouvement ondulatoire émanant d'un seul et même primaire varie d'une manière continue avec les dimensions du résonateur employé. » Le résultat étrange observé est que la longueur d'onde mesurée est fixée par la dimension du secondaire, et non par les caractéristiques physiques du primaire. Peu de temps après, Henri Poincaré détecte une erreur com- mise par Hertz dans ses calculs et, de façon fort élé- gante, le prévient dans une lettre datée du 15 août 1890 7 • De fù en aiguille on comprend que le générateur de Hertz ne produit pas des ondes « monochroma- tiques », mais un « train d'ondes» contenant plusieurs fréquences, et que c'est finalement la dimension du résonateur qui sélectionne la longueur d'onde détectée. Cela n'enlève évidemment rien à l'immense mérite de Hertz, cela souligne simplement la nécessité de faire varier les protocoles expérimentaux, comme l'ont fait - entre autres - Sarasin et de la Rive, et la nécessité de procéder également à un examen appro- fondi des bases théoriques, comme l'a fait Herni Poincaré. Nous sommes maintenant en octobre 1890, à un mois d'une autre grande découverte, celle de la radioconduction d'Édouard Branly. La découverte de la radioconduction Branly étudie l'influence de la lumière sur la conduction électrique En 1888-1889 Branly fait des études sur la conductivité de toutes sortes de substances, en parti- culier des verres platinés et argentés. Son intérêt pour les phénomènes de conduction de l'électricité le conduit à s'intéresser aux travaux de Hallwachs sur l'action des rayonnements ultraviolets sur ce phéno- mène. Il présente ces travaux le 8 avril 1890 dans une note à l'Académie des sciences relative à : La déper- dition des deux électricités par des radiations très réfrangibles [les rayons ultraviolets]. « Dans l'étude de l'action des radiations très réfrangibles sur les conducteurs électrisés, écrit Branly, l'arc voltaïque a été le plus souvent utilisé comme source de lumière, et c'est à son usage que se rapportent les phénomènes que MM. Hallwachs, Righi, Soletov, ont fait connaître. L'emploi d'une source lumineuse plus riche en rayons très réfrangibles m'a conduit à des résultats nouveaux... » D'une part sa source est plus riche en ultraviolet, d'autre part il étudie toutes sortes de configurations. Dans l'une d'elles il analyse la déperdition de disque métallique. Puis il met deux de ces disques l'un en face de l'autre, à une distance d'environ 1 mm, chacun des disques étant relié à l'un des pôles d'une pile (il réalise de la sorte un conden- sateur). Lorsque l'éclat de l'étincelle illumine l'un des disques il constate que « l'intervalle des deux plateaux est traversé par un courant ». Branly cesse alors de s'intéresser à la décharge du disque au profit du courant qui passe entre les deux plateaux sous l'influence de l'étincelle. Il utilise à présent un circuit qui va le mener à sa découverte. Ce circuit est constitué d'une pile, du conducteur à étudier (ici les deux disques) et d'un galvanomètre qui permet de lire le courant qui passe dans le dispositif. Puisque le courant passe entre les deux disques suite à l'éclairement de l'un deux, c'est que l'air, normalement isolant, devient soudainement conducteur. Branly va alors rechercher de façon systématique quels sont les matériaux qui acquièrent la propriété de voir chuter brutalement leur résistance quand ils sont soumis au rayonnement produit par une étincelle. TI utilise en particulier une « plaque d'ébonite cuivrée» et « un tube à limaille métallique ». Branly multiplie les expériences, consigne minutieusement les résultats observés dans ses cahiers de laboratoire ; on peut y lire par exemple: « la résistance passe de 2 millions d'ohms avant l'étincelle à. moins de 2... ». Il fait ses expériences dans son laboratoire, ou plutôt dans le dortoir désaffecté qui en fait office, puis il éloigne la source de lumière de son dispositif et constate que l'effet se produit encore. Le 20 novembre son préparateur, Gendron, indique « qu'il place un bout de carton devant la longue étincelle lumineuse de la machine et constate sur le galvanomètre que le courant passe toujours. Ainsi ce n'est pas la lumière, violette ou non, qui rend la matière con.ductrice, ce sont les ondes électriques. » Il s'agit de l'élément- clef de la découverte. Pourquoi avoir placé un « bout de carton» entre l'étincelle et le dispositif récepteur? Sans doute parce que Branly a l'habitude de faire varier de façon systématique les conditions de ses 7 Voir par exemple: Poincaré Physicien, Jean-Claude Boudenot, Jean-Jacques Samueli, Ellipses, 2005. REE 0g Septembre 2005 L'ANNÉE MONDIALE DE LA PHYSIQUE expériences. Ici il s'agissait de montrer que l'origine upposée du phénomène est due au rayonnement ultraviolet et à lui seul. D'où l'interposition de dif- férents écrans (lames de quartz, plaques de verre, etc.) entre « l'émetteur» et le « récepteur », comme d'ailleurs Hertz l'avait également fait. Alors pour- quoi du carton qui ne laisse passer ni les UV, ni le visible ni l'infrarouge ? Peut-être parce que, pour Branly, l'action avait pour origine l'étincelle et qu'il n'y avait pas raison d'écarter a priori une source d'émission, autre qu'ultraviolette, produite par cette étincelle. La découverte ! Branly constate, toujours en ce 20 novembre 1890, que : « la poudre de zinc est très sensible à l'étincelle de la machine de Wimshurst qui est placée à plus de 10 mètres. La déviation de l'aiguille du galva- nomètre est supprimée par tapotement sur la table ». De tous les dispositifs étudiés c'est le « tube à limaille» qui se montre le plus sensible. Celui-ci est constitué d'un simple tube en velTe de la taille d'un crayon. li est rempli d'une limaille métallique (zinc, fer, aluminium, cuivre ou autre), et deux tiges métal- liques ferment ses extrémités, tassent modérément la limaille et assurent le contact électlique avec cette denùère. Poursuivons le récit de la découverte: « M. Branly, relate son préparateur Gendron, fait transporter la machine de Wimshurst dans l'amphithéâtre de phy- sique. La machine se trouve à plus de vingt mètres du tube de limaille et du galvanomètre et en est séparée par quatre murs épais et par la cour... » Édouard Branly est près du galvanomètre. Par la fenêtre, il fait signe à Gendron d'actionner l'éclateur, puis il revient à sa table, fixe un regard anxieux sur l'aiguille... elle bouge. Un petit choc sur le tube et l'aiguille reprend sa position initiale, le courant ne circule plus dans le galvanomètre. « Toutes les fois que je fais éclater une étincelle, dit Gendron, l'aiguille du galvanomètre de M. Branly, à vingt mètres de moi, entre en mouve- ment. Je peux ainsi envoyer des signaux à M. Branly. En effet, chaque fois qu'il constate un mouvement de l'aiguille, il ébranle par un choc le tube à limaille et l'aiguille du galvanomètre revient à zéro. Elle recom- mence à se déplacer lorsque se produit une nouvelle étincelle ». Dans sa communication à l'Académie des sciences le 24 novembre 1890, Branly résume les points essentiels : « J'ai employé comme conduc- teurs de fines limailles métalliques de fer, aluminium, antimoine, cadmium, zinc, bismuth, etc. La limaille est versée dans un tube de verre ou d'ébonite, où elle est comprise entre deux tiges métalliques. Si l'on ferme un circuit comprenant un élément Daniell, un galvanomètre à long fil et un tube à limaille, il ne passe le plus souvent qu'un courant insignifiant, mais il y a une brusque diminution de résistance accusée par une forte déviation du galvanomètre quand on vient à produire dans le voisinage du cir- cuit une ou plusieurs décharges électriques. Je fais usage, à cet effet, soit d'une petite machine de Wimshurst, avec ou sans condensateur, soit d'une bobine de Ruhmkorff. L'action s'observe très aisé- ment et sans aucune précaution spéciale, à quelques mètres de distance. En faisant usage du pont de Wheatstone, j'ai pu constater cette action à plus de vingt mètres (en ligne directe), alors que l'appareil à étincelles fonctionnait dans une salle séparée du cir- cuit dans lequel avait été inséré le tube à limaille par trois grandes pièces, et que le bruit des étincelles ne pouvait être perçu. Les variations de résistance demeurèrent considérables, par exemple, de plu- sieurs millions d'ohms au repos, elle n'accusait plus que deux mille et bien souvent cent ohms après l'éclatement de l'étincelle. L'observation de la dévia- tion d'un galvanomètre présentait cet avantage qu 'el- le permettait d'obtenü; par substitution, la mesure de la variation de résistance du tube à limaille .. ainsi je réalisais, à distance, la production brusque d'un effet quelconque du courant. Dans ces diverses expé- riences, le tube à limaille ferme un courant à distan- ce, sans aucun fil intermédiaire. » Après la découverte Quelque temps après sa découverte, Branly a l'idée de relier par un fil métallique un des pôles de son éclateur à l'un des fils métalliques verticaux qui guide la descente du store d'une fenêtre de son labo- ratoire. Le 12 janvier 1891, Branly rapporte dans un compte rendu à l'Académie « qu'une tige métallique annexée au générateur augmente notablement laportée d'une étincelle d'émission ». Il vient d'inventer l'antenne! La transmission atteint en effet maintenant 80 mètres, ce qui lui permet de communiquer entre son laboratoire, où se trouve l'émetteur, et le jardin des Carmes où il a placé son récepteur. Dans le même compte rendu Branly indique par ailleurs que la « diminution considérable de résistance est encore réalisée avec un crayon solide, formé en mélangeant en proportions convenables de la fleur de soufre et de la limaille d'aluminium ». Le 17 avril 1891 c'est au Bulletin de la Société française de physique qu'il indique que « les limailles d'aluminium ou d'anti- moine qui ont senli à un grand nombre d'essais avaient des grains compris entre 0,7 mm et 0,8 mm. On peut utiliser des particules beaucoup plus fines, REE W8 Septembre 2005 L'ANNÉE MONDIALE DE LA PHYSIQUE ou beaucoup plus grosses, telles que des grains de plomb de 1 mm de diamètre... ». En 1894, Oliver Lodge propose un mécalùsme pour expliquer le phénomène de « radioconduction » découvert par Branly. « Le champ électrique de l'on- de, écrit Lodge, produit des forces attractives entre les grains de limaille, qui, après de microscopiques déplacements, les font entrer en cohésion les uns les autres en formant entre les électrodes du tube des chaînes conductrices du courant électrique. Ensuite un choc (comme l'a signalé Branly) suffit pour briser ces chaînes fragiles et restituer au tube sa résistance électrique initiale élevée ». Cette interprétation de Lodge est à l'origine du terme « cohéreur» qui sera utilisé pour désigner le tube à limaille de Branly. Mais ce dernier n'admet pas cette explication, car ses expériences de 1891 lui ont montré que l'effet se pro- duit de la même façon pour des billes plus grosses dont il est peu probable qu'elles puissent subir « de microscopiques déplacements » sous l'effet d'une onde électromagnétique. Dans un article publié à l'Académie des sciences le 12 février 1894, Branly pose la question : « De quelle façon les particules conductrices cheminent-elles à travers l'isolant pour s'aligner? » Les expériences de télémécanique Dès 1898, Edouard Branly développe la télémé- canique, véritable ancêtre de la télécommande. II améliore pendant plusieurs années son dispositif et réalise une démonstration publique de ses expé- riences au Trocadéro, le 30 juin 1905, devant le Tout- Paris. Des milliers de personnes se disputent l'une des 5000 places que peut contenir la salle. II y a là les plus hal.!tes autOlités de l'Etat, les corps constitués, les ambassadeurs, le haut commandement militaire, ainsi que le peuple des faubourgs. Albert de Lapparent, membre de l'Académie des sciences et collègue de Branly à l'Institut catholique, nous dépeint de façon précise et vivante cette démonstration: « Imaginons deux stations, une de départ, l'autre d'arrivée, en communication par la télégraphie sans fil, à l'aide des appareils à antennes que la pratique a définitive- ment consacrés. À la station d'arrivée se trouvent plusieurs mécanismes qu'il s'agitd'actionner à distance. Dans les expériences de M. Branly, ces appareils étaient: JO/ un groupe de lampes électriques, qu'on devait allumer ou éteindre .. ri un ventilateur à ailettes, pouvant tourner sous les regards de l'assem- blée .. 3°/ un électroaimant, soulevant, lorsqu'il était en action, un boulet de canon, qu'il laissait retomber; quand l'animation cessait, avec un bruit facile à entendre .. 4°1 un pistolet chargé, faisant feu au com- mandement. Pour mettre ces instruments en action, la station d'arrivée dispose d'un appareil spécial. Dans cet appareil sont contenus les instruments, notam- ment les radioconducteurs, qui doivent recevoir et utiliser l'impulsion partie de la station de départ. La pièce principale est un appareil moteur; capable de faire tourner un arbre en bois... Les choses sont disposées de telle sorte que, quand le moteur élec- trique fonctionne, le télégraphe automatique sans fil envoie immédiatement, à la station de départ, une dépêche qui s'inscrit sur un rouleau de papie/; comme dans l'appareil Morse utilisé par la télégra- phie ordinaire... ». Conclusion Ainsi, il Y a cent quinze ans, Edouard Branly, savant solitaire, découvrait un phénomène qui allait révolutionner les moyens de communication. Une quinzaine d'années seulement séparent les premiers essais de transmission sans fil sur quelques mètres (1890) à la première liaison TSF à travers l'Atlantique (1901). Cet essor extraordinaire sauvera la Tour Eiffel de la destruction, et sera immortalisé par le nom donné au quai qui la jouxte, le fameux quai Branly. La découverte de Branly s'inscrit dans le cadre des recherches fondamentales faites en physique à la fin du XIX' siècle. Contrairement à Marconi, Branly ne cherchera pas à développer les applications pratiques de sa découverte, il voulait comprendre l'origine physique de ce phénomène bien étrange. Aujourd'hui encore, l'origine physique de cette transition vers un état conducteur par passage d'une onde électromagnétique dans un nùlieu granu- laire, reste toujours partiellement incomprise 8. Quant 8 On pourra se référer aux deux excellents articles parus récemment dans le bulletin de la Société française de physique: « Propriétés électriques de la matière granulaire: l'effet Branly continu », Eric Falcon et Bernard Castaing, bulletin n° 148 (mars 2005) et « Propriétés électriques de la matière granulaire.' bruit et intermittence », Eric Falcon, Bernard Castaing et Mathieu Creyssels, bulletin nO l49 (mai 2005). REE N'8 Septembre 2005 L'ANNÉE MONDIALE DE LA PHYSIQUE au succès retentissant de la démonstration de télémé- canique au Trocadéro, elle va assurer définitivement la célébrité de Branly. C'était bien le but poursuivi par la comtesse Greffulhe 9 qui écrit le 9 juillet 1905 : «J'ai eu la joie de pouvoir mettre en valeur M. Branly, l'inventeur; et de faire connaître ses expériences qui étaient totalement inconnues, car il est la modestie même. Aussi est-il tout étonné de voir son nom accla- mé, et des lettres lui parvenir de tout l'univers. L'idée même de l'accord des substances à travers l'espace n'est-elle pas incomparablement belle ? » Pour en savoir plus Branly au temps des ondes et des limailles, Philippe Monod- Broca (Postface de Jean Cazenobel, Éd. Belin, collection "Un savant, une époque" {1999}. Edouard Branly et la TS.F, Gabriel Pelletier et Jean Quinet, Ed. Seghers, collection "Savants du monde entier" (1962). Musée Branly, appareil et matériaux d'expériences, Association des Amis d'Édouard Branly (1997). Comment Branly a découvert la radio, Jean-Claude Boudenot, EDP Sciences, à paraître, octobre 2005. 9 La comtesse Greffulhe, cultivée et riche, se distingue par son charisme et sa beauté. Son salon attire le gratin parisien des arts, des sciences et de la politique. Elle rencontrera Edouard Branly en 1904 et leur correspondance ne cessera qu'à la mort du savant en 1940. REE W8 Septembre 2005