Genèse de la pile Volta et les courants galvaniques

10/04/2018
Publication 3EI 3EI 2018-92
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-92:22780
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Genèse de la pile Volta et les courants galvaniques

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Genèse de la pile Volta et les courants galvaniques La Revue 3EI n°92 Avril 2018 Hors Thème 65 Genèse de la pile Volta et les courants galvaniques Première partie : Galvani et Volta Jean-Jacques ILARY Professeur de Physique/Chimie à la retraite LGT de Mirepoix – Route de Limoux – 09500 Mirepoix Jusqu’au début du XVIII e siècle, les phénomènes électriques connus par l’être humain étaient en nombre très restreints. Ils se limitaient à la foudre, les feux de Saint-Elme, l’électrisation de l’ambre frotté (elektron en grec) et les poissons électriques du Nil. 1. Les machines à frotter Le XVIII e siècle, siècles des Lumières, voit naître un vif engouement pour les sciences dans un souci de combattre l’ignorance et les superstitions. Dès la fin du XII e siècle, de nombreuses grandes sociétés savantes avaient déjà vu le jour à travers l’Europe (Paris, Londres, Berlin, Turin, Saint-Pétersbourg). Dans l’aristocratie il était de bon ton, de montrer que l’on était au courant des dernières découvertes, et chacun mis un point d’honneur à posséder son salon ou cabinet scientifique. Lors de ces séances, des expériences sont présentées, et sont d’autant plus appréciées qu’elles sont spectaculaires. Pour satisfaire ce besoin, quelques fois celui d’un mécène, des savants cherchèrent à produire des quantités d’électricité statique beaucoup plus importantes. Dans ce but, un grand nombre de machines, aussi ingénieuses les unes que les autres furent élaborées. Mais qu’elle que soit leur conception, elles avaient un point commun : une sphère ou un disque de verre ou de résine, mis en mouvement de rotation rapide, frottait contre une autre substance (tissu ou main sèche). On restait donc sur le principe de l’ambre frotté. Les charges électrostatiques produites pouvaient être stockées sur une ou plusieurs bouteilles de Leyde (ancêtre du condensateur découvert en 1745). 2. L’âge d’or de l’électricité statique L’une des applications de cette électricité fut, nous dirons, grand public. On recherchait avant tout le côté spectaculaire. On produisait des effluves lumineux, des étincelles les plus impressionnantes possibles. Ces expériences se pratiquaient aussi bien dans les salons scientifiques que sur les boulevards ou sur les foires. Cela s’assimilait à des tours de magie plus qu’à des expériences scientifiques. En voici quelques exemples. Un opérateur approchant son doigt ou la pointe d’une épée électrises d’un verre contenant un liquide inflammable y mettait le feu. En 1746 l’Abbé Nollet, dans la Galerie des Glaces à Versailles et devant le Roi Louis XV et sa cour, électrisa une ronde de 140 personnes. Mais l’expérience la plus prisée était le « baiser électrique ». Un jeune garçon en contact avec une machine à frotter et suspendu au plafond par des fils de soie tentait d’échanger un baiser avec une jeune fille droite sur une tabouret. Parallèlement à ces expériences à caractère plutôt ludique, les physiciens cherchèrent une explication théorique de ces phénomènes. Leurs recherches les amenèrent à établir certaines propriétés de ces charges électrostatiques : • Existence de deux sortes de charges (vitrée et résineuse). • Electrisation par frottements, contact ou influence. • Classification des matériaux en conducteurs ou isolants • Interactions entre charges (répulsion ou attraction) Mais leurs études restèrent limitées à un aspect expérimental. Ils ne disposaient pas encore de la « clé », pour passer au stade théorique. L’existence de l’électron ne fut prouvée qu’en 1897 par Joseph John Thomson. Résumé : Dès la plus haute antiquité, tous les domaines scientifiques (astronomie, métallurgie, mathématiques, hydraulique, optique, mécanique…) furent étudiés et chaque siècle apporta régulièrement de nouveaux éléments, pour améliorer leurs connaissances. Seule l’électricité fit exception jusqu’à la fin du XIIe siècle. Une observation fortuite, suivie de deux interprétations erronées, va amener Galvani et Volta à concevoir des dispositifs capables de fournir un courant électrique. Une banale histoire de cuisse de grenouille, va entraîner un développement fulgurant dans ce domaine, au point qu’aujourd’hui, l’électricité accompagne chaque instant de notre vie. Bouteille de Leyde Genèse de la pile Volta et les courants galvaniques La Revue 3EI n°92 Avril 2018 Hors Thème 66 A son tour la médecine chercha des applications à ces nouvelles technologies dans son domaine. Les médecins de l’époque s’intéressèrent à l’action d’une décharge électrique sur les muscles. On étudia, par exemple, la réaction d’un membre fraîchement amputé. Un chroniqueur relate même que le docteur Bichat (son nom sera donné à un hôpital parisien) comme d’autres de ses collègues, galvanisa des guillotinés de la Terreur et s’enthousiasma devant les réactions des têtes fraîchement coupées. Cela peut nous choquer, mais ramené à cette période, ce ‘ sujet d’étude ‘ devait paraître banal. Entre 1793 et 1794, 17000 personnes furent guillotinées. Les médecins de l’époque, pensèrent alors pouvoir doser à leur gré la quantité de fluide électrique pour entretenir l’être vivant dans les meilleures conditions physiologiques. LA PANACEE UNIVERSELLE AVAIT ETE DECOUVERTE. L’emploi de l’électricité en médecine devint excessif. Mais après quelques succès vinrent un grand nombre d’échecs. Ce mode de médication tombera dans l’oubli pour de nombreuses années. Luigi Galvani et l’électricité animale Galvani était un professeur d’anatomie et chirurgien italien né et mort à Bologne (1737-1798). Sa formation le poussa naturellement à s’intéresser aux nouvelles recherches du moment, c’est-à-dire l’action des décharges électriques sur les êtres vivants. Secondé par son épouse Lucia également médecin, il publia de nombreux ouvrages sur leurs travaux. Mais nos souvenirs scolaires associent Galvani aux expériences sur les cuisses de grenouilles. En 1781, un de ses assistants touchant le nerf crural d’une cuisse de grenouille avec un scalpel métallique, vit celle-ci se contracter. Dans le voisinage un autre assistant effectuait des expériences avec une machine électrostatique. Chaque étincelle engendrait une contraction. L’expérience fut reproduite avec un fil de fer plus long et même en extérieur par temps d’orage. Aucune explication plausible ne put être émise. Galvani et ses contemporains ne pouvaient savoir que le scalpel ou le fil jouaient le rôle d’antenne captant l’onde émise par l’étincelle ou l’éclair. Quelques temps plus tard, par temps calme, des cuisses de grenouilles suspendues par des crochets de cuivre à un balcon de fer, se contractaient lorsque le vent les amenait au contact du métal. Dans ce cas il n’y avait pas d’ACTION EXTERIEURE APPARENTE. Galvani, anatomiste de formation, en conclura que l’électricité était contenue dans le corps de l’animal et que celle-ci pouvait circuler lorsque deux métaux différents formaient un circuit. Il nomma ce fluide ELECTRICITE ANIMALE. De cette observation fortuite et de son interprétation erronée naîtra une polémique qui durera deux décennies, particulièrement avec Volta. Pour Galvani le cerveau apparait comme la matière organique la plus propice à la production de cette électricité animale. Il imagina un empilement alternant chair animale, cervelle, rondelles de deux métaux différents et de tissus pour maintenir l’humidité. Ce dispositif nommé CELLULE DE GALVANI, s’il permettait d’obtenir une certaine tension, présentait deux inconvénients rédhibitoires. L’emploi de matières organiques limitait son utilisation dans le temps. La cervelle, matière « mollasse », suivant l’expression de Galvani, supporte mal la pression exercée par les couches supérieures et la hauteur de la pile s’en trouve fortement limitée. Bien qu’élaborée à partir d’un raisonnement erroné et de performances très limitées, la cellule de Galvani constitue une première ébauche de la pile de Volta. ALESSANDRO VOLTA ET SA PILE (1745-1827) Alessandro VOLTA, né et mort à Côme, est un physicien italien issu d’une famille aristocratique Dès l’âge de 18 ans, il correspondit avec l’Abbé Nollet, qui enseignait la physique expérimentale depuis 1750, à Paris au Collège de Navarre. De nombreux voyages en Europe (France, Angleterre, Suisse, Pays- Bas, Autriche) lui permirent de rencontrer et parfois de collaborer avec de grands scientifiques de l’époque : Lavoisier, Laplace, Franklin, Buffon…De sa rencontre avec Voltaire, il ramera la pomme de terre en Italie. Ses travaux ne se limitèrent à la découverte de la pile. Il conçu une balance qui, utilisant les interactions entre charges, permettait d’en quantifier leur importance. 1775 Il inventa l’eudiomètre et réalisa la première synthèse de l’eau, en retrouvant des proportions identiques à celles qu’avait obtenu Lavoisier par analyse. 1778 Il étudia les gaz de marais et découvrit le méthane. 1779 Il perfectionna l’électroscope, conçu par l’Abbé Nollet. Il devint possible d’attribuer une valeur à la tension existante entre deux corps électrisés. Genèse de la pile Volta et les courants galvaniques La Revue 3EI n°92 Avril 2018 Hors Thème 67 Il conçu également un condensateur plan, pour améliorer les performances de la bouteille de Leyde. Il montra que les quantités de charges accumulées sont proportionnelles à l’aire des plaques, inversement proportionnelles à l’épaisseur de l’espace qui les sépare et d’un coefficient dépendant de l’isolant utilisé (permittivité diélectrique). Aujourd’hui on écrirait :