C’est quoi, un courant électrique ?

19/07/2018
Publication 3EI 3EI 2018-93
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C’est quoi, un courant électrique ?

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C’est quoi, un courant électrique ? La Revue 3EI n°93 Juillet 2018 Hors Thème 47 C’est quoi, un courant électrique ? JEAN-LOUIS IZBICKI1,2 , GEORGES ZISSIS1 1 LAPLACE, Laboratoire Plasma et conversion d’énergie, UMR CNRS 5213, Université Toulouse III Paul Sabatier, 118 route de Narbonne, Bat 3R3, 31062 Toulouse cedex 9 2 LARHRA, Laboratoire de recherche historique Rhône-Alpes, UMR CNRS 5190, Université Lyon II, Institut des sciences de l’homme, 14 Avenue Berthelot, F69363 Lyon cedex 7. 1. Introduction Vers 1900 les applications de l’électricité sont nombreuses et se rencontrent principalement dans les grandes villes, à travers l’éclairage électrique dans les bars, les salles de spectacle et dans certains musées, l’éclairage public, certains transports mais aussi chez quelques particuliers. Cependant à la question de la nature du courant électrique, le grand public serait bien en peine d’apporter un élément de réponse. Il en va de même des scientifiques de l’époque. Ainsi Georges Claude, dans son introduction à son livre « L’électricité à la portée de tout le monde » [1] paru en 1905 écrit : « Qu'est-ce que l'électricité ? Si tous ceux auxquels la fée bienfaisante de notre époque a eu l'occasion de rendre service s'avisaient quelque jour de le demander à ceux qui le savent — ou qui croient le savoir — ce ne serait certes pas une petite opération que de les satisfaire! ». Pourtant le premier dispositif permettant à l’énergie électrique d’être disponible remonte à la toute fin du dix- huitième siècle, il s’agit de la pile Volta, et les nombreuses recherches concernant l’électricité ont plutôt privilégié les applications dès 1800 en particulier la synthèse de nouveaux produits à partir de l’électrolyse. Cependant de nombreux travaux théoriques ont eu lieu, un changement de mode de pensée nécessaire à la compréhension de la nature du phénomène électrique implique la discontinuité de la matière, nouveau paradigme qui se mettra en place lentement au cours du dix-neuvième siècle. Il s’agit dans cet article de répondre à la question de la nature du courant électrique à partir de sa première source historique c’est-à-dire à partir de la compréhension des phénomènes se produisant dans la pile Volta ou dans les phénomènes d’électrolyse qui sont historiquement liés. Cette compréhension appartient à la fois aux physiciens et aux chimistes, communautés scientifiques disjointes à partir du milieu du dix-neuvième siècle et dont le vocabulaire, s’il est parfois identique, recouvre des concepts différents. Cette différentiation a sans doute retardé l’explication du phénomène « électricité ». Est- ce qu’en prenant en compte les données provenant à la fois des physiciens et des chimistes arrive-t-on à répondre à Georges Claude ? 2. Présentation Au XIX les mesures concernant les phénomènes électriques –on ne dit pas encore électrostatiques – sont réalisées principalement par des mesures mécaniques. Les appareils servant à obtenir des charges électriques mettent en jeu un phénomène de frottement bien usuel en mécanique. Par contre pour assurer la circulation permanente des charges électriques il faut faire appel à de nouveaux concepts soit chimiques, comme dans la pile de Volta, soit électromagnétiques dans lesquels se retrouvent une partie mécanique malgré le mot « électromagnétique » qui ne montre pas une connotation « mécanique ». De ce point de vue l’explication des phénomènes se produisant dans la pile de Volta est déconnectée en grande partie des phénomènes mécaniques. Dès lors il est tentant d’essayer de construire les concepts électriques de base, « courant » et « tension », essentiellement en interrogeant les phénomènes liés à la pile. Ce faisant, il apparait que la chimie joue un rôle primordial par les réactions d’oxydo-réduction se produisant dans les piles et la branche des sciences correspondante s’appelle justement « électrochimie », terme qui rend bien compte des apports nécessaires liés à la fois à la physique et à la chimie. Cette approche est d’autant plus féconde que c’est par le biais de la chimie que la matière va apparaitre comme discontinue ou formée à partir de Résumé : En s’appuyant sur les textes originaux du XIXe s., cet article associe les avancées, théoriques et expérimentales, des physiciens et des chimistes. Elles sont indispensables pour comprendre le phénomène électrique. Si la pile Volta est bien le premier générateur assurant la circulation d’un courant permanent, c’est en étudiant cette pile, ainsi que l’électrolyse qui est sa première application, que la nature du courant électrique peut être comprise. L’élaboration du concept de courant électrique est alors datable, de façon pertinente, du tout-début du XXe s., après l’établissement progressif des concepts d’ion et d’électron. À cette même période, les valeurs du nombre d’Avogadro, de la charge de l’électron et de sa masse, furent estimées avec une précision satisfaisante, notamment par Jean Perrin, bien avant l’expérience de Robert Millikan. C’est quoi, un courant électrique ? La Revue 3EI n°93 Juillet 2018 Hors Thème 48 briques discrètes, qu’une molécule est formée à partir d’atomes, et que le nombre d’atomes dans une molécule est obligatoirement un nombre entier. En conséquence il en est de même des charges électriques qui ne peuvent pas prendre n’importe quelle valeur ; la réciproque étant vraie il est équivalent de présenter la nature « atomique » de la matière ou du courant électrique. De nombreuses batailles intellectuelles ont eu lieu sur l’existence et la définition précise des concepts d’atomes, de molécule et d’ions, cependant la majorité des chimistes européens est « atomiste » à la fin du XIXe siècle même si en France le retard scientifique sur les concepts précédents est patent et aujourd’hui bien reconnu [2]. Dans le même temps, les physiciens utilisent presque tous la notion d’éther pour expliquer les phénomènes électriques et électromagnétiques ce qui obscurcit, à la fois pour le lecteur d’hier et d’aujourd’hui, la lecture des textes originaux et la compréhension des phénomènes physiques. Les notions fondamentales de base de l’électricité ne peuvent donc pas être clairement énoncées et les physiciens sont amenés à des contorsions oubliées de nos jours pour répondre à la question de la nature du courant électrique. De plus les notations mathématiques sont lourdes à la fin du XIXe siècle car l’appareillage vectoriel n’est qu’à peine utilisé. Il faudra attendre les années 1920 pour éclaircir le paysage : fin de l’éther, utilisation de mathématiques adaptées mettant en jeu les vecteurs, reconnaissance de la nature discontinue de la matière, premiers éléments de l’existence d’un monde subatomique... La nature du courant électrique est discutée à partir des années 1820, lorsqu’Ampère commence à définir ce vocabulaire et ce concept [3]1 . Dans un mémoire « Présenté à l'Académie royale des Sciences, le 2 octobre 1820, où se trouve compris le résumé de ce qui avait été lu à la même Académie les 18 et 25 septembre 1820, sur les effets des courans (sic) électriques », le premier paragraphe indique : « L’action électromotrice se manifeste par deux sortes d’effet que je crois devoir d’abord distinguer par une définition précise. J’appellerai le premier tension électrique, le second courant électrique. Le premier s’observe lorsque les deux corps entre lesquels cette action a lieu sont séparés l’un de l’autre [ici Ampère place une note] par des corps non conducteurs, dans tous les points de leurs surface autres que ceux où elle est établie ; le second est celui où ils font, au contraire, partis d’un circuit de corps conducteurs qui les font communiquer par des points de leur surface différens (sic) de ceux où se produit l’action 1 L’expression « courant électrique » est attestée en 1806 (suivant [Alain Rey, Dictionnaire historique de la langue française, tome 1, Paris : Le Robert, 1998] à l’article « électrique » p1201mais aucun auteur n’est de cette expression est mentionné). Cependant « Le grand vocabulaire françois », tome 9, publié en 1769 (p63) mentionne déjà cette expression dans un contexte d’écoulement transitoire de charges en électrostatique. 2 A moins de toucher le dispositif par ses deux extrémités auquel cas on reçoit une commotion appelée décharge, le dispositif reste « chargé ». L’abbé Nollet (1700-1770) a électromotrice ». Le souci de préciser le vocabulaire est fondamental et rompt avec le vocabulaire de l’époque. En effet, dans ces années on parlait de fluide électrique et il y en avait de positif et de négatif. Le vocabulaire « courant » est bien lié, encore aujourd’hui, à un écoulement alors que, dans les bouteilles de Leyde, dispositif datant des années 1745, les charges électriques ne se déplacent pas, elles y sont emmagasinées2 . Les éléments déclencheurs de l’élaboration de ce concept de « courant » sont d’une part la fabrication d’une pile par Volta en 1799, et ceci est bien reconnu [4] et, d’autre part, les expériences d’Oersted en 1820 [5]. Plus précisément, si on s’intéresse au passage du courant dans un fil électrique, il est usuel, notamment dans les ouvrages d’enseignement, d’attribuer à Joseph John Thomson « la découverte de l’électron » en 1897 [6] puis à Millikan la mesure la charge de l’électron en 1909. Ceci permet aujourd’hui à un étudiant de pouvoir décrire le courant électrique comme une circulation ordonnée d’électrons dont la charge et la masse sont bien connues3 . Il faut remarquer que la démarche classique utilise quasi-exclusivement des recherches en physique4 . La démarche associant successivement rayons cathodiques et expérience de Millkan est également celle de nombreux ouvrages universitaires [7]. Cependant de nombreux faits remettent en question le cheminement précédent. Drude, lors du premier congrès international organisé par la SFP à Paris en 1900, en parallèle l’exposition universelle, développe déjà l’explication de la conductivité électrique à partir de la « théorie des électrons » [8]. Lors du centenaire de l’expérience de Thomson, de nombreux textes ont adopté un regard critique sur l’attribution à Thomson de la découverte de l’électron [9]. Assez curieusement les textes ne mentionnent pas clairement l’hypothèse qu’il pourrait y avoir une différence entre une charge électrique liée à un milieu matériel (cas du courant électrique dans les solides, de l’expérience de Millikan) et une charge électrique libre (expériences de Thomson). A part la valeur commune du rapport charge sur masse, il apparait que seule une connaissance minimum de l’atome et de l’extraction des électrons à partir des atomes permet de comprendre qu’il s’agit bien du même objet. Pourrait-on écrire une autre histoire pour expliquer la nature du courant électrique ? Y a-t-il d’autres scientifiques du dix-neuvième siècle qui ont réfléchi autrement et dont les écrits n’ont pas été suffisamment largement popularisé ce type d’expérience à la cour de Louis XV. 3 Bien entendu, dans certains solides, il faut attribuer à une circulation ordonnée de trous le passage du courant électrique. 4 L’électrolyse est, pour un physicien de la fin du XIXème et même du XXème, un « effet » du courant électrique. Ce phénomène fait aujourd’hui partie de l’électrochimie, science que l’on devine hybride entre physique et chimie, vue son nom. C’est pourtant à partir de l’étude de ce phénomène que l’idée d’atome d’électricité va se faire jour à la fin du XIXème. C’est quoi, un courant électrique ? La Revue 3EI n°93 Juillet 2018 Hors Thème 49 pris en compte, pour des raisons variées, et qui, au tout début du XXème siècle, avaient déjà la compréhension de la nature du courant électrique et qui connaissaient les aspects quantitatifs attribués à Thomson et à Millikan ? Ne peut-on pas rester au plus près de la naissance de l’électricité dynamique, c’est-à-dire de l’électricité des charges en mouvement ? En définitive, l’explication complète des phénomènes se produisant dans la pile Volta ne permettent-ils pas de répondre à la question « c’est quoi un courant électrique » ? C’est le but de cet article. Le parti pris est de donner des extraits des textes originaux afin d’éviter d’utiliser des termes d’un vocabulaire actuel ; ces extraits sont parfois volontairement longs afin de ne pas dénaturer le propos de l’auteur. La démarche qui suit tend à réunir des résultats provenant à la fois de recherche en physique et en chimie. Ces recherches sont également liées à la reconnaissance de la nature discontinue de la matière et aux combats difficiles qui a opposé atomiste et anti- atomiste notamment en France. Elles sont perturbées par les problèmes de vocabulaire car les mots atome, molécule, ion n’ont pas forcément la même signification chez tous les chercheurs de l’époque. De plus, au moment où les atomistes semblent enfin avoir convaincu le monde des savants, la découverte (en 1896 par Henri Becquerel) de la « radio-activité », en utilisant l’orthographe de l’époque, montre que certains atomes ne sont pas stables, ce que personne n’avait encore envisagé. L’électron apparait comme une entité douée de charge, mais pas forcément de masse, concept qui va évoluer à partir de son apparition dans les années 1870. Même Thomson ne parlera pas d’électron mais de corpuscule [10] dans sa conférence de réception du prix Nobel dont le titre mentionne des porteurs de charge électrique négative. Le texte débute par : « In this lecture I wish to give an account of some investigations which have led to the conclusion that the carriers of negative electricity are bodies, which I have called corpuscles, having a mass very much smaller than that of the atom of any known element, and are of the same character from whatever source the negative electricity may be derived ». Par contre Thomson signale que la charge de ce corpuscule, sous entendu en valeur absolue, correspond à celle bien connue en électrolyse : « This value is the same as that of the charge carried by a hydrogen atom in the electrolysis of dilute solutions, an approximate value of which has been long known. ». Peu de chercheurs ont à la fin du XIXème ou au début du XXème siècle à la fois une compréhension globale des sciences physiques et chimiques et en même temps conçoivent l’acceptation de la nature discontinue de la matière. L’analyse de la nature de l’électricité amène les 5 Le site de Philosophical transactions of the Royal society of London indique comme date de publication le 1 janvier 1800 ce qui est impossible. Le livre « A Source book of chemistry » de Henry M. Leicester et Herbert S Klickstein, Harvard University Press 1968 indique que la note de Volta est lue le 26 juin 1800 (p 239). Ceci parait plus conforme aux documents de Volta. scientifiques à analyser la nature de la matière ce qui met en jeu naturellement l’ensemble des sciences physiques associant physique et chimie. La première « particule » qui va émerger de cette analyse est l’électron, objet réel et concept aussi nécessaire aux physiciens et aux chimistes. Or c’est bien en unifiant les idées développées en physique et en chimie que Jean Perrin aura plus rapidement que d’autres chercheurs la réponse à la question « Qu’est ce qu’un courant électrique » même si l’histoire des sciences n’a pas reconnu son nom pour sa compréhension de la nature du « fluide électrique ». 3. De Volta à Faraday Dans une lettre adressée à Joseph Banks alors président de la Royal society à Londres en vue de publication [11]5 Volta présente son travail sur son dispositif, connu depuis sous le nom de pile de Volta. Il se trouve que Joseph Banks communique à Anthony Carlisle la lettre de Volta : ils habitent tous deux Soho Square et se connaissent bien. Carlisle fabrique donc, en suivant les instructions de Volta, une pile et réalise avec son ami William Nicholson une série d’expériences qui sont publiés dans « The Journal of Natural Philosophy, Chemistry & the Art » qui appartient d’ailleurs à Nicholson [12]6 . Parmi ces expériences il y a l’électrolyse de l’eau (avec le vocabulaire d’aujourd’hui) et le gaz hydrogène qui est produit est reconnu. L’article parait en juillet 1800. Il est possible qu’une électrolyse de l’eau ait été réalisée en 1799 de façon transitoire, car réalisée avec une machine électrostatique, et l’article correspondant est peu accessible (car écrit en néerlandais)7 . Une autre référence parle des premières expériences de « décomposition » de l'eau par l'électricité qui « paraissent dues à Troostwik et Dieman en 1795. Ils employaient l'étincelle des batteries partant entre deux fils d'or ou de platine » [13]. Le mot batterie doit être impropre : il doit s’agir d’une machine électrostatique. Mais l’idée de tenter un passage électrique dans l’eau est « dans l’air » à la fin du dix-huitième siècle. En 1839 Michael Faraday rassemble dans un volume [14] des travaux publiés dans Philosophical Transactions depuis novembre 1831 et concernant essentiellement l’électrochimie et les courants électriques dans différents matériaux. Un sous paragraphe intitulé « Theory of electro-chemical decomposition » (qui contient les notes 477 à 563 de la 6 Il faut noter que le nom de Carlisle n’apparait pas dans le titre de l’article du journal mais est bien cité dans le cœur de l’article. Ceci explique qu’aujourd’hui on associe Nicholson et Carlisle pour leurs expériences d’électrolyses. 7 L’indication de cette référence se trouve dans Holger Dau et al, The Mechanism of Water Oxidation: From Electrolysis via Homogeneous to Biological Catalysis ChemCatChem ,2, 724–761, 2010. C’est quoi, un courant électrique ? La Revue 3EI n°93 Juillet 2018 Hors Thème 50 page 135 à la page 164) qui a été envoyé en mars 1833 est particulièrement intéressant pour la suite de cet article. Il fait d’abord le point sur les recherches passées sur l’électrolyse (Grotthus 1805, Davy 1806 et 1826, Riffault et Champré 1807, Biot 1824, De la Rive 1825, Hachette1832). Après avoir décrit ses propres expériences il en arrive à la conclusion (note 505) « For a constant quantity of electricity, whatever the decomposing conductor may be, wheter water, saline solutions, acids, fuses bodies etc., the amount of electro- chemical is also a constant quantity, i.e. would always be equivalent to a standard chemical effect founded upon ordinary chemical affinity. ». Ceci constitue une loi quantitative fondamentale. Afin de préciser sa pensée sur ce qui se passe lors d’une électrolyse, et bien conscient qu’il introduit des concepts nouveaux Faraday introduit le vocabulaire encore utilisé aujourd’hui, et qu’on pourrait appelé jargon en son temps, dans une note de janvier 1834 : il introduit les mots « electrode »8 (note 662, p 196), « anode » et « cathode »9 (note 663, p196-197), « anion », « cation » and « ion »10 (note 665, p 198). Il ajoute dans la note 666: « These terms being once well defined, will, I hope, in their use enable me to avoid much periphrasis and ambiguity of expression ». Cependant il utilise l’expression « courant électrique » dans ses définitions, car il ne distingue pas l’existence de porteurs de charge de leurs circulations, ce qui jette une ombre sur celles-ci. Il semble également que pour Faraday c’est le courant électrique qui produit les ions dans l’électrolyte. Mais y a-t-il un lien avec les atomes ? Faraday sur ce point est hésitant (note 869 p236) : « Or, if we adopt the atomic phraseology, then atoms of bodies which are equivalents to each other in their ordinary chemical action , have equal quantities of electricity naturally associated with them. But I must confess I am jealous of the term atom; for though it is very easy to talk of atoms, it is very difficult to form a clear idea of their nature, especially when compound bodies are under consideration ». Le point fondamental est l’apparition du concept d’ions alors même que la notion d’atome n’est pas encore ni admise ni complètement étayée expérimentalement. Par là même il commence à donner une piste pour répondre à la nature du courant 8 Avant Faraday le mot pôle était utilisé pour l’objet place dans le liquide subissant l’électrolyse, mais ce mot est aussi déjà utilisé par ailleurs (pour les aimants, en géographie) et donc « In place of the term pole, I propose using that of Electrode, and I mean thereby that substance, or rather surface, whether of air, water, metal, or any other body, which bounds the extent of decomposing matter in the direction of the electric current ».Bref il s’agit du conducteur immergé dans le liquide. Ampère a utilisé le mot réophore, vocabulaire également utilisé par Lamé dans ses cours à Polytechnique en 1840. 9 Il définit anode comme suit: « the anode is therefore that surface at which the electric current according to our presentation, enters : it is the negative extremity of the decomposing body; is where oxygen, chlorine, acids, etc., are evolved » et cathode: « the cathode is that surface at which the current leaves the decomposing body; and is its positive extremity ». électrique dans un liquide. A partir d'un très grand nombre de mesures mettant en relation les masses de produits dégagés par électrolyse et les quantités d'électricité correspondantes, Faraday formule les deux lois quantitatives suivantes [15]: i) La masse des produits libérés pendant un temps donné est proportionnelle à la quantité d'électricité qui traverse l'électrolyte pendant ce temps. Cette masse est indépendante des caractéristiques géométriques de la cuve à électrolyse et des électrodes ainsi que de la concentration de l'électrolyte. ii) Les équivalents électrochimiques coïncident avec les équivalents chimiques, ou autrement dit : Quel que soit l'électrolyte, la quantité d'électricité qui libère un équivalent chimique d'un corps est toujours la même. Il faut également rajouter que Faraday identifie ce qui se passe dans la pile Volta comme une réaction chimique (note 872 p 257) : « …I think that the current of electricity in the voltaic pile is sustained by chemical decomposition, or rather by chemical action, and not by contact only»11 . Si on admet l’hypothèse atomique et donc le fait que les réactions chimiques sont liées à des réarrangements atomiques et que la matière est discontinue car formé d’atomes, peut-on encore parlé de fluide électrique qui est un milieu continu ? Le fait de formuler cette question revient à Helmholtz plus de 40 ans après l’étude des phénomènes d’électrolyse par Faraday. Cependant les travaux de Hittorf dans les années 1850 sur le déplacement des ions dans les liquides conducteurs, ceux de Clausius de 1857 montrant l’existence des ions dans les solutions d’électrolyte préalablement au passage du courant, et ceux de Kohlrausch en 1874 ont permis de renforcer le concept d’ions ébauché par Faraday12 . Un aspect plus quantitatif est obtenu quand Faraday réalise un circuit comportant plusieurs électrolyseurs en série ce qui lui permet de mesurer, pour un courant d’intensité donnée, les masses des produits obtenus aux différentes électrodes. Il écrit (§835, p244) : « Electrochemical equivalents are always consistent ;i.e., the same number which represents the equivalent of a substance A when it is separating from a substance B, will also represent A when separating from a third 10 Faraday justifie précautionneusement son choix (note 665): « Finally I require a term to express those bodies which can pass to the electrodes, or, as they are usually called, the poles. Substances are frequently spoken of as electro- negative or electro-positive, according as they go under the supposed influence of a direct attraction to the positive or negative pole. ». Puis il continue par « I propose to distinguish such bodies by calling those anions which go to the anode of the decomposing body; and those passing to the cathode, cations; and when I have occasion to speak of these together, I shall call them ions. ». 11 Rappelons que le mémoire de Volta de 1800, concernant son invention de la pile a pour titre « On the Electricity excited by the mere contact of conducting substances of different kinds. » alors qu’elle est le siège d’une réaction chimique qu’on n’appelle pas encore oxydo-réduction. 12 Il faut également citer les travaux d’Alexander William Williamson de 1851 concernant la synthèse de l’éther C’est quoi, un courant électrique ? La Revue 3EI n°93 Juillet 2018 Hors Thème 51 substance C. Thus 8 is the electrochemical equivalent of oxygen, wether separating from hydrogen, or tin, or lead; 103.5 is the electrochemical equivalent of lead, whether separating from oxygen, or chlorine or iodine. ». Un équivalent dans la chimie du dix-neuvième-siècle (ou équivalent gramme ou poids équivalent) est le rapport pondéral suivant lequel un corps se combine avec un autre corps pris comme base ; cette base est l’hydrogène pris comme unité dont l’équivalent est donc 1. C’est une notion pré-atomiste qui sera totalement éliminée au début du vingtième siècle. Faraday affirme (§836) que « Electrochemical equivalents coincide, and are the same, with ordinary chemical equivalents ». Ainsi le nombre 8 attribué à l’oxygène provient du fait que dans la molécule d’eau le rapport de la masse de l’oxygène à celle de l’hydrogène est 8 (ce qui est vrai) mais les chimistes d’alors pensaient que l’eau devait être décrite par HO ou H2O2 (à ne pas confondre avec notre eau oxygénée) puisqu’on ne connait alors que les rapports et non pas par H2O qui implique une valeur de 16 pour l’oxygène. Comme Faraday a sans doute manipulé avec un oxyde de plomb PbO2 et un oxyde d’étain SnO2 sa proposition est correcte. Faraday en déduit une table d’ions (§847) qui attribue 35.5 au chlore (aujourd’hui on écrirait ion Cl- ), 23.3 au sodium (ion Na+ ) mais 20.5 au calcium (ion Ca2+ ) au lieu de 40. La description est donc correcte pour tous les ions « monovalents » c’est-à-dire chargé une fois (en excès ou en défaut). Puis Faraday se pose la question (§852 et suivants p 249) de la quantité d’électricité « On the absolute quantity of Electricity associated with the particles of atoms of matter ». Mais il ne va pas jusqu’à un aspect quantitatif. Cependant, au cours de son raisonnement, il formule deux idées : la première (§851) est prémonitoire du rôle des électrons dans les réaction chimiques et dans le phénomène d’électrolyse « for I have such conviction that the power which governs electro-decomposition and ordinary chemical attractions is the same ; » et la seconde (§869) est proche de ce que Helmholtz écrit sur l’électrolyse en 1881 où il fait clairement un lien entre l’existence des atomes et le fait que l’électricité a une nature également discontinue comme la matière « Or, if we adopt the atomic theory or phraseology, then the atoms of bodies which are equivalents to each other in their ordinary chemical action, have equal quantities of electricity naturally associated with them. But I must confess I am jealous of the term atom; for though it is very clear to talk of atoms, it is very difficult to form a clear idea of their nature, especially when compound bodies are under consideration ». Il semble que les premières mesures précises de la charge nécessaire pour déposer un « équivalent chimique » datent de 1884 [16] . Il s’agit d’étudier les dépôts d’argent lors de l’électrolyse de solutions de nitrate d’argent. En une heure, 4,0246 g d’argent sont déposés ce qui correspond, pour un « équivalent » d’argent à une charge de 96600 coulombs environ. L’apport de Faraday apparait donc comme fondamental à la fois dans la définition des phénomènes électrochimiques et du vocabulaire associé, et aussi dans un aspect menant à une donnée quantitative, qui est appelée la constante de Faraday, et qui établit un lien entre grandeur microscopique et macroscopique. 4. L’analyse de l’électrolyse par Helmholtz et Stoney. Helmholtz est impliqué dans de nombreuses questions scientifiques comme l’acoustique, l’énergie, la thermodynamique et l’électromagnétisme. Mais il a un apport décisif pour la construction de « l’électricité ». L’existence d’une liaison entre , d’une part, l’existence d’atomes correspondants aux faits que la matière est discontinue et non pas continue, comme le pense encore bon nombre de physiciens et de chimistes de l’époque, et, d’autre part, les phénomènes électriques par le biais de l’analyse de l’électrolyse est réalisée lors d’une conférence, « The Faraday Lecture », donnée devant « the Fellows of the Chemical Society » à Londres le 5 avril 1881 puis publiée peu après dans une revue hebdomadaire [17]. On trouve dans cet article la phrase: « Now the most startling result, perhaps, of Faraday’s law is this: If we accept the hypothesis that the elementary substances are composed of atoms we cannot avoid concluding that electricity also, positive as well as negative, is divided into definite elementary portions, which behave like atoms of electricity». Jusqu’alors on parlait du fluide électricité et c’est la première fois qu’est envisagée une hypothèse de type atomiste pour expliquer la nature de l’électricité. Il ne faut cependant pas penser que tout est clair dans l’article de Helmholtz puisqu’en parlant des anions et des cations qui se déplace dans le « fluide électrolytique » subissant l’électrolyse il écrit « through each section of an electrolytic conductor we have always equivalent electrical and chemical motion », ce qui est considéré comme tout à fait acceptable aujourd’hui, mais qui est suivi de «This we may call the electric charge of the atom.» ce qui parait bien obscur. Le fluide électrolytique est donc pour Helmholtz un ensemble d’atomes ou de groupe d’atomes qui porte des charges électriques : ceci est dû au fait que la définition des ions par Faraday n’était pas complètement intrinsèque parce qu’elle n’utilisait pas uniquement la notion d’atomes (indépendamment du passage d’un courant électrique). Une discussion plus approfondie de ce point est donnée dans [18]. Helmholtz écrit encore : « As long as it moves about on the electrolytic liquid each atom remains united with its electric equivalent or equivalents. At the surface of the electrodes decomposition can take place if there is sufficient electromotive power, and then the atoms give off their electric charges and become electrically neutral. ». La confusion ou au moins le manque de clarté sur la question atome/ion est évidente mais la description physique du phénomène d’électrolyse aux électrodes est presque complète, et est bien actuelle, mais il reste la question de savoir ce que devient la charge électrique une fois qu’elle a été abandonnée par l’ion. Pour avancer vers la compréhension de la « nature » de l’électricité, il est C’est quoi, un courant électrique ? La Revue 3EI n°93 Juillet 2018 Hors Thème 52 donc nécessaire de s’appuyer sur la nature atomique de la matière qui intéresse, ou devrait intéresser physiciens et chimistes et de tenter de préciser le vocabulaire. Même après le congrès international de Karlsrhue de 1860, premier congrès international, essentiellement européen, de chimie organisé pour tenter de trouver un langage commun, où les chimistes discutent atome, molécules et poids atomiques [19] la bataille fait rage en France en atomistes et anti-atomistes ce qui explique la quasi absence des physiciens ou chimistes français dans la discussion13 . Le raisonnement de Helmholtz sur les ions apparait si simple qu’on peut se demander pourquoi il n’est pas adopté par les physiciens de l’époque. Darrigol propose une explication : « There was more specific reason for the neglect of Helmholtz’s picture. In Germany, a growing number of physicists favoured a phenomenological approach that avoided microphysical assumptions.» [18]. Il faut adjoindre à Helmholtz, George Johnstone Stoney, professeur à Galway puis à Dublin [20], certes moins connu14 , mais qui a également soutenu une interprétation de l’électrolyse analogue à celle d’Helmholtz [21]. En effet, en 1881 [22], puis en 1883 [23]15 il écrit « For each chemical bond which is ruptured within an electrolyte a certain quantity of electricity traverses the electrolyte, which is the same in all cases. This definite quantity of electricity I shall call E1 If we make this our unit quantity of electricity, we shall probably have made a very important step in our study of molecular phenomena. ». La phrase de Stoney est loin d’être claire : en quoi le choix de l’unité donne un renseignement sur un phénomène moléculaire ou atomique ? La définition de « bond » donnée par Stoney est aussi en avance sur la définition de la liaison de covalence qui n’interviendra qu’au vingtième siècle: «The word bond is here used of the connexions between atoms when they enter into combination. When we use this, which seems the proper signification of the word, the bonds are to be distinguished from the hands 13 Comme témoignage de cette bataille, on peut citer Alfred Naquet, qui a été un étudiant de Wurtz, un des rares professeurs de chimie français convaincu par les idées atomistes, qui a écrit un fascicule intitulé « De l’atomicité », publié en 1868 à Paris et qui commence par : « Les adversaires de la théorie atomique et des formules de constitution nous accusent chaque jour, d’oublier les principes de notre science ; ils disent que nous ne faisons plus de la science positive, mais des suppositions toutes gratuites, qui ne conduisent à rien ; qu’en un mot notre chimie est une chimie métaphysique. Notre but est de repousser ces attaques en faisant voir que la théorie atomique et les formules de constitution qui en découlent, sont des théories et des hypothèses parfaitement légitimes, permises, même par la philosophie la plus scrupuleuse à ce point de vue, par la philosophie positive. ». Naquet vise certainement Berthelot grand chimiste, grand mandarin et grand pourfendeur des atomes jusque dans les années 1890, qui n’avait pas participé au congrès de Karlsruhe. 14 Il se plaint d’ailleurs auprès des éditeurs de la revue Philosophical Magazine en octobre 1894 que son nom ne or feelers which each atom has, and which, by grappling with the hands or feelers of other atoms, establish bonds between them. ». Il soutient que ces idées avaient déjà été proposées en 1874: « This paper was read before section A., of the British Association at the Belfast Meeting in 1874. ». Les unités naturelles de Stoney sont surement à rapprocher du système de Planck proposé en 1899 ou un certain nombre de constantes de la physique sont choisies égales à l’unité de façon à adimensionner les grandeurs physiques16 . Quantitativement, Stoney donne une valeur à E1 ce qui nécessite une valeur d’un nombre, appelé aujourd’hui nombre d’Avogadro, qui est caractéristique de la nature atomique de la matière. Dans les conditions normales de température et de pression (0°C et 1 atm), l’hypothèse d’Avogadro Ampère (émise en 1811 par Avogadro et reprise par la suite par Ampère) est que le volume occupé par un gaz est indépendant de la nature du gaz17 . Ce volume comprend un certain nombre de molécules, qui est le nombre d’Avogadro. Celui-ci est obtenu à partir des travaux de J. Loschmidt (en 1865) et de W. Thomson (en 1870). Stoney obtient pour la valeur de la charge électrique E1=10-20 coulomb ce qui est un ordre de grandeur correct par rapport à la valeur reconnue de la charge de l’électron. Cependant la notion de particule ou de corpuscule n’apparait pas dans les textes de Stoney dans les années 1874-1883. Ainsi, dans ces écrits, Stoney s’approche de la notion de charge élémentaire sans l’identifier clairement ; mais la coïncidence numérique et la description de sa liaison chimique a sans doute permis de distinguer Stoney dans la cohorte des physiciens ayant contribué à la naissance du concept d’électron. 5. La contribution de Maxwell James Clerk Maxwell, le physicien qui réunit les phénomènes électriques et magnétiques et qui propose un ensemble d’équations qui regroupent et étend les connaissances de l’époque, s’intéresse aussi forcément à la compréhension de la conduction électrique18 . Dans soit pas cité, au même titre qu’Helmholtz ; il revendique même son antériorité dans l’interprétation de l’électrolyse. Le texte de Helmholtz de 1881 apparait cependant beaucoup plus clair. 15 Il s’agit en fait du même texte ! 16 Par exemple la constante de gravitation et la vitesse de la lumière sont posées égales à 1. Il en est de même de la constante de Boltzmann, celle de Planck et de la constante intervenant dans la loi de Coulomb. Ceci revient à introduire un temps de Planck, une longueur de Planck, … etc. Même si certaines relations sont alors simplifiées, il faut bien remarquer qu’elles deviennent difficiles à lire. 17 Cette loi s’applique en théorie à des gaz « parfaits ». Plus tard on a introduit la notion de mole et on a donné une autre définition à ce nombre d’Avogadro. Aujourd’hui il est défini par le nombre d’atomes contenu dans 12g de carbone (solide) dont le noyau comporte 6 protons et 6 neutrons. 18 Forcément, puisque les sources des champs électriques et magnétiques qu’étudie Maxwell sont les courants électriques. C’est quoi, un courant électrique ? La Revue 3EI n°93 Juillet 2018 Hors Thème 53 son traité d’électricité et de magnétisme [24] Maxwell en 1873 définit (§231) « a transient current » entre deux corps A et B portés initialement à des potentiels différents, mais qui, par un mouvement de charges électriques, reviennent au même potentiel. Ce mouvement transitoire de charge est le courant électrique. Juste après (§232) Maxwell montre qu’il existe également un « steady current » qui peut être produit par une pile voltaïque. Il ne revient pas alors sur la nature du courant (Quelle(s) charges(s) ? et quel mouvement ?) et s’intéresse aux propriétés des courants (par exemple « electrolytic action of the current » (p291). Puis à partir du paragraphe 255 (p307) il revient la description de la conduction électrique dans les liquides conducteurs reprenant essentiellement, en les citant, les idées de Faraday, Hittorf et Clausius. Il est bien conscient du fait que « The complète investigation of Electrolysis belongs quite as much to Chemistry as to EIectricity ». Mais aussi, et ce qu’il écrit est prémonitoire : « Of all electrical phenomena electrolysis appears the most likely to furnish us with a real insight into the true nature of the electric current, because we find currents of ordinary matter and currents of electricity forming essential parts of the same phenomenon. It is probably for this very reason that, in the present imperfectly formed state of our ideas about electricity, the theories of electrolysis are so unsatisfactory. ». Les concepts de molécules, d’ions et de charges électriques sont encore vagues: « In the first place, we must assume that in every electrolyte each molecule of the cation, as it is liberated at the cathode, communicates to the cathode a charge of positive electricity, the amount of which is the same for every molecule not only of that cation but all other cations. ». Le vocabulaire « molecule of the cation » est difficile à comprendre aujourd’hui19 . Dans [25] Maxwell montre clairement où en est sa réflexion sur les concepts d’atome et de molécule; il écrit « Do atoms exist, or is matter infinitely divisible? But we must now go on to molecules. Molecule is a modern word. It does not occur in Johnson's "Dictionary." The ideas it embodies are those belonging to modern chemistry. A drop of water, to return to our former example, may be divided into a certain number, and no more, of portions similar to each other. Each of these the modern chemist calls a molecule of water. But it is by no means an atom, for it contains two different substances, oxygen and hydrogen, and by a certain process the molecule may be actually divided into two parts, one consisting of oxygen and the other of hydrogen. According to the received doctrine, in each molecule of water there are two molecules of hydrogen and one of oxygen. Whether these are or are not ultimate 19 On pourrait même écrire que l’expression ne veut rien dire. Cependant, au moment où Maxwell écrit, les concepts d’atomes, d’ions et de molécules ne sont pas clarifiés. Il en est de même de la nature de la charge électrique. Il faudra encore attendre 40 ans après Maxwell pour écrire explicitement ce qui se passe au niveau d’une électrode lors d’une électrolyse et ceci suppose que soit dégagée la notion d’électron, notion que l’on a vu s’esquisser chez Stoney et chez Helmholtz. atoms I shall not attempt to decide »20 . Dans cette période de la seconde moitié du dix-neuvième siècle, la physique et la chimie ont besoin de l’hypothèse atomique pour expliquer et rassembler les faits observés. Mais il n’y a pas d’observation directe des atomes : il s’agit d’abord d’un concept utile grâce auquel différents phénomènes (électrolyse, réactions chimiques) s’interprètent ou commencent à s’interpréter. La prudence de Maxwell laisse la porte à un monde subatomique qui est celui de la physique du vingtième siècle. 6. Une meilleure compréhension des ions : Arrhénius En 1883, Svante Arrhénius présente une thèse (publiée en 1884 à Stockholm) écrite en français dont le titre est « Sur la conductivité galvanique des électrolytes ». En particulier Il montre que la conductibilité électrique des « solutions salines » est dû au fait que lorsqu’on dissout un sel dans l’eau alors la dissolution entraine l’existence « d’iones » un « kathione » chargé positivement et un « anione » chargé négativement. Il note A+ et B- ces iones21 . Il affirme que tous les ions positifs possèdent la même charge et sont de même masse, il en est de même des ions négatifs. Pour un corps de type AB, si la charge de A est +e (c’est la notation d’Arrhénius) alors la charge de B est –e. La notation utilisée a, par rapport aux textes précédents Arrhénius, l’avantage de montrer explicitement des édifices chargés et de charge individualisée, discrète, discontinue. Ceci rompt avec la notion de fluide continu22 . 7. Où le vocabulaire « électron » apparait Le mot électron apparait dans un long article de Stoney de juillet 1891 [26]. Stoney revient sur ses écrits de 1874-1881 concernant l’électrolyse et où il introduisait une charge E1. Il ajoute « A charge of this amount is associated in the chemical atom with each bond. There may accordingly be several such charges in one chemical atom, and there appear to be at least two in each atom. These charges, which it will be convenient to call electrons, cannot be removed from the atom; but they become disguised when atoms chemically unite. » (page 583). Outre le fait qu’il ne justifie pas le nom donné d’électron, il n’explique pas non plus pourquoi chaque atome doit posséder deux électrons ou pourquoi 20 Il s’agit en fait d’un texte issu d’une conférence donnée devant « the British Association » à Bradford. 21 Arrhénius étend son raisonnement à certains acides et à certaines bases, concepts qui seront à leur tour élargis par Bronstedt au XXème. 22 Les distributions linéique, surfacique ou volumique de charge étaient déjà bien présentes en électromagnétisme : il s’agissait de grandeurs continues qui sont intégrables sans problème. C’est quoi, un courant électrique ? La Revue 3EI n°93 Juillet 2018 Hors Thème 54 il est impossible de l’extraire de l’atome23 . Plus loin (page 584) il parle du mouvement d’un électron sur une orbite ce qui laisse à croire qu’il considère l’électron comme un objet soumis aux lois de la mécanique et dès lors possédant une masse. En réponse à un article d’Ebert paru en septembre 1894 dans «Philosophical Magazine », concernant notamment un article de Helmholtz sur le phénomène d’électrolyse, Stoney clame son antériorité dans la reconnaissance de l’aspect discontinu de l’électricité et dans la valeur d’une charge qu’il désigne depuis 1891 sous le vocabulaire d’électron. Cependant en examinant précisément ce qui est écrit, il apparait que si le mot électron apparait bien sous la main de Stoney, sa signification physique ne peut lui être attribué. Ce point de vue est analogue à celui exprimé par Robert Nola [27] notamment dans son paragraphe 7 intitulé « The term “Electron” and its multiple introductions in physics »24 . En 1893-1894 Larmor introduit également le vocabulaire électron. [28]. Comme l’écrit Olivier Darrigol [29]: « Larmor's writings were notoriously difficult to read : » et plus loin : «Larmor seems to have been unable to express himself concisely, even on straightforward matters. This verbal generosity reflected in good part his way of thinking, which involved much historical and philosophical digression. In brief, Larmor was neither a practical man nor a rigorous thinker. He was a natural philosopher. ». La partie 125 est écrite fin 1893 puis complétée en juin 1894 par une section, située après la conclusion, appelée « introduction of free electrons ». C’est pour expliquer les interactions entre aimants permanents que Larmor introduit ces électrons en faisant référence à l’appellation de Stoney (il s’agit de l’article de 1891). En fait il s’agit essentiellement d’interpréter des expériences liées au champ magnétique (effet Hall, effet Zeeman) et de discuter la dispersion de la lumière dans les milieux matériels. Larmor a besoin de charges électriques et de leurs mouvements. Dans la conclusion de la partie 1, Larmor écrit (§113) : «: The chief result of the discussion is that a rotationally elastic fluid aether gives a complete account of the phenomena of optical transmission, reflexion, and refraction, in isotropic and crystalline media, coinciding in fact formally in its wider features with the electric theory of light ». Il revient sur l’interprétation du courant électrique en terme de circulation de charges dans la partie 2 écrite en 1895 (cet article est beaucoup plus court que le précédent, 49 23 Dès lors il est difficile de voir en Stoney un grand découvreur de l’électron ou même en défricheur de ce concept. En effet de nombreux travaux sur les rayons cathodiques sont déjà disponibles avant 1890 avec Geissler, Plücker, Hittorf, Goldstein, Crookes, Hertz pour ne citer que les principaux protagonistes de ce type de recherche. Il faut également noter que Hittorf a publié sur la conductivité des électrolytes dans les années 1850. 24 Un des arguments de Nola mérite d’être cité :« In the case of individuals the proper name “John Smith” is unproblematically ambiguous in denoting many different pages « seulement ». Un des points importants est donné dès l’introduction : « As a preliminary, it is maintained that a dynamical theory of electric currents, based on the ordinary conception of a current-element, must lead to expressions for the electrodynamics forces which are at variance with the facts. On the other hand, a theory which considers moving electrons to be the essential elements of the true currents in material media, gives a definite account of the genesis and the mutual relations of both type of forcive, the electromotive and the ponderomotive, and gives formulae for them, which corresponds in the main with those originally deduced by Maxwell…. ». Cependant, Larmor, dans le troisième article26 de 1897, écrit dans l’introduction, à propos de l’éther: « In this medium unitary electric charges, or electrons, exists as point singularities, or centres of intrinsic strain, which can move about under their mutual actions ; while atoms of matter are in whole or in part aggregations of electrons in stable orbital motion. ». Dans un livre paru en 1900 [30] Larmor enfonce le clou « An electron will occur in this analysis as a singular point in the aether, on approaching which the elastic strain constituting the aethereal displacement increases indefinitely27 … It is in fact analogous to what is called a simple pole in the two-dimensional representation that is employed in the theory of a function of a complex variable ». Avec une telle conception, provenant du fait que Larmor essaye de concilier la théorie dominante de l’éther avec la notion encore récente en 1900 de l’électron, il est difficile de reconnaitre à Larmor un rôle précurseur dans la connaissance de la nature du courant électrique ou dans la conceptualisation de la notion d’électron. 8. Où la quantification de l’électricité apparait clairement Lodge s’intéresse aussi à la conduction électrique [31] et son introduction est typique de la pensée des physiciens de l’époque pour qui tout doit être expliqué en des termes mécaniques ; il écrit en tout début de l’avertissement : « The object of this work is to explain without technicalities, and to illustrate as far as possible by mechanical models and analogies, the position of thinkers on electrical subjects at the present time. ». De même, toute la physique est engluée dans le concept d’éther et Lodge affirme le classicisme de sa pensée dans l’introduction « The doctrine expounded in this people. Similarly for names for scientific kinds, observable and unobservable. This is so of the term “electron”. ».Nola cite également les travaux de Arabatzis (2001), Falconer (1987, 2001) et Kragh (2001) discutant l’origine du nom électron et de sa «découverte». 25 La longueur de cet article est remarquable : l’article s’étend de la page 719 à la page 822. 26 Cette troisième partie occupe 97 pages. 27 Le texte original contient alors deux formules …qui n’aident en rien à la compréhension physique et qui sont omises ici. C’est quoi, un courant électrique ? La Revue 3EI n°93 Juillet 2018 Hors Thème 55 book is the etherial theory of electricity. Crudely one may say that as heat is a form of energy, or a mode of motion, so electricity is a form of ether, or a mode of ethereal manifestation. ». Néanmoins son approche de l’électrolyse est une base pour la compréhension future de la nature du courant électrique. Il écrit : « The present state of our knowledge enables us to make the following assertions with considerable confidence of their truth : (1) Electrolytic conduction is invariably accompanied by chemical decomposition, and in fact only occurs by means of it. (2) The electricity does not flow through but with, the atoms of matter, which travel along and convey their charges something after the manner of pith balls. (3) The electric charge belonging to each atom of matter is a simple multiple of a definite quantity of electricity, which quantity is an absolute constant quite independent of the nature of the particular substance to which the atoms belong. (4) Positive electricity is conveyed through a liquid by something equivalent to a procession of the electropositive atoms of the compound, in the direction called the direction of the current ; and at the same time negative electricity is conveyed in the opposite direction by a similar procession of the electronegative atoms. (5) On any atom reaching an electrode it may be forced to get rid of its electric charge, and, combining with others of the same kind, escape in the free state ; in which case visible decomposition results. Or it may find something else handy with which to combine say on the electrode or in the solution; and in that case the decomposition, though real, is masked, and not apparent. . ». Le point 3 est absolument important puisqu’il décrit la nécessité pour une charge d’être un multiple, sous- entendu entier, d’une charge électrique. La relation entre le fait que la matière soit discontinue (atome) et le fait que « l’électricité » également est bien claire, au moins pour Lodge en 1889. 9. Apport de Jean Perrin Après avoir abordé la conduction électrique dans les solides, les notions de conducteurs et d’isolants électriques sont déjà connues au temps d’Ampère, puis dans les liquides conducteurs, par le biais du phénomène d’électrolyse (cf supra), L’étude de la conduction électrique dans les gaz est entreprise à partir du milieu du dix-neuvième siècle. La mise en évidence des 28 Avant Hittorf en 1869 il faut citer Plücker et Geissler qui furent aussi impliqués dans ce type de recherche. Auparavant, Hittorf publia une série de textes concernant la migration des ions dans les électrolytes durant les années 1853 à 1859. Après Hittorf, de nombreux physiciens tels que Goldstein, Crooks, Shuster, Lenard et Hertz s’intéressèrent également aux rayons cathodiques. 29 L’étude des rayons cathodiques mobilise de nombreux physiciens et pendant plus de trente ans. Il s’agit d’un déplacement d’électrons libres dans une atmosphère « rayons cathodiques » par Hittorf28 en 1869 est le prélude à de nombreuses recherches qui vont conduire à la caractérisation d’un corpuscule électrisé isolé, l’électron. Un nom émerge dans la plupart des écrits sur les rayons cathodiques est celui de Joseph John Thomson. En 1893 il donne une justification de ses recherches : « The phenomena attending the electric discharge through gases are so beautiful and varied that they have attracted the attention of numerous observers. The attention given to these phenomena is not, however, due so much to the beauty of the experiments, as to the widespread conviction that there is perhaps no other branch of physics which affords us so promising an opportunity of penetrating the secret of electricity; for while the passage of this agent through a metal or an electrolyte is invisible, that through a gas is accompanied by the most brilliantly luminous effects, which in many cases are so much influenced by changes in the conditions of the discharge as to give us many opportunities of testing any view we may take of the nature of electricity, of the electric discharge, and of the relation between electricity and matter» [32]. Thomson caractérise le corpuscule électrisé, qu’il n’appelle pas électron y compris lors de son discours de réception du prix Nobel, par le rapport charge sur masse en 1897. Parmi les contributeurs aux recherches sur les rayons cathodiques il y a Jean Perrin qui peut proposer avant 1897, grâce à ses connaissances en physique et en chimie, une unification des observations sur les rayons cathodiques er sur l’électrolyse29 . En 1893 Perrin montre expérimentalement que les rayons cathodiques sont chargés négativement et sont déviés par un aimant [33]. Dans sa conclusion il écrit : « Au voisinage de la cathode, le champ électrique est assez intense pour briser en morceaux, en ions, certaines des molécules du gaz restant. Les ions négatifs partent vers la région où le potentiel croît, acquièrent une vitesse considérable, et forment les rayons cathodiques ; leur charge électrique et, par suite, leur masse (à raison d’une valence- gramme pour 100 000 coulombs est facilement mesurable ». Il n’écrit donc pas le mot « électron » et rien n’indique pourquoi la masse de ces « ions négatifs » n’est pas mesurée si cela était si facile. Par contre il est vrai que le passage d’une charge de 100 000 coulombs (en fait il s’agit d’environ 96500 coulombs) correspond à une « valence-gramme » c’est-à-dire à une mole d’électrons (en utilisant le langage actuel). C’est le mérite de Thomson qui va déterminer le rapport charge sur masse en modifiant le dispositif expérimental de Perrin en 189730 . Au-delà de cet article de recherche souvent cité, un texte publié en 1901 [34] est précurseur gazeuse sous faible pression, ce qui constitue bien un courant électrique au sens actuel. Cependant ce courant étant éloigné des applications électriques de la fin du XIX et du début du XX, la suite de l’article ne s’étend pas sur la physique sous-jacente à ce phénomène. 30 En juin 1897, Jean Perrin obtient devant la faculté des sciences de l'université de Paris le doctorat ès sciences physiques avec une thèse intitulée « Rayons cathodiques et rayons de Röntgen. Étude expérimentale. » C’est quoi, un courant électrique ? La Revue 3EI n°93 Juillet 2018 Hors Thème 56 dans la mesure où il réalise la synthèse de recherches concernant de nombreux phénomènes physiques qui permettent de « prouver » la réalité atomique et de donner une valeur à la charge de l’électron, même si, comme Thomson, il n’utilise pas ce terme et conserve le mot « corpuscule ». En utilisant d’une part des lois de l’électrolyse (la « valence gramme » de 100 000 coulombs environ) et, d’autre part, la mesure du nombre d’Avogadro31 il estime la valeur de la charge élémentaire. A partir d’expériences sur des gaz auxquelles on applique la théorie cinétique de Maxwell il obtient pour le nombre d’Avogadro la valeur estimée de 5.5 1023 ce qui constitue une erreur de 8% environ par rapport à la valeur retenue actuellement. Il donne pourtant la valeur approchée de 10-20 coulomb pour la charge élémentaire alors que suivant les valeurs précédentes il aurait dû donner 1.8 10-19 coulomb (en divisant 100 000 par 5.5 1023 mais il ne précise pas dans la conférence qu’il fait cette division pour obtenir la valeur de la charge) ce qui est plus proche de la valeur retenue aujourd’hui (1.6 10-19 coulomb). Jean Perrin a sans doute conscience que la valeur de son nombre d’Avogadro est entachée d’erreur et ne donne qu’un ordre de grandeur ; en conséquence il ne donne pas une grande précision sur la charge. Ce texte est issu d’une conférence « faite aux étudiants et aux Amis de l’Université de Paris, le 16 février 1901, par M. Jean Perrin, chargé du cours de Chimie physique à la Sorbonne »32 . Le caractère pédagogique lié à la clarté du propos est étonnante pour l’époque notamment en France car les chimistes sont encore largement anti- atomistes. Il en est d’ailleurs bien conscient car il écrit en introduction pour affirmer clairement sa position atomiste : « Aussi, malgré la haute antiquité des hypothèses moléculaires, il n’y a guère plus d’un siècle qu’elles ont pénétré dans la véritable science, en se montrant capables d’expliquer simplement certains faits connus, et d’en faire découvrir de nouveaux. En ce sens, leur rôle n’a fait que grandir, et l’on peut aujourd’hui les considérer comme un des plus puissants outils de recherche que la raison humaine ait su créer ». 10. Le Congrès de physique de 1900 et l’apport de Drude 31 Jean Perrin revient en 1909 sur la mesure de ce nombre, et c’est lui qui le nomme « nombre d’Avogadro » appellation toujours en vigueur, afin d’obtenir plus de précision notamment sur la valeur de la charge élémentaire. Millikan en fera une détermination plus directe également en 1909. 32 Après l’obtention de sa thèse, Jean Perrin candidate en 1898 à un poste de chargé de cours de chimie physique et son rapporteur pour l’obtention de ce poste est Henri Poincaré qui écrit entre autre « En résumé, autant qu’on en peut juger par ces premiers travaux, M. Perrin est doué du don le plus précieux pour le physicien ; il sait imaginer l’expérience cruciale, qui rejette dans l’oubli vingt expériences imparfaites et fait luire la lumière définitive là Paul Drude propose en 1900 un modèle pour la conduction électrique dans les métaux. Plus précisément, au congrès international de physique en 1900 organisé par la société française de physique, congrès réuni à Paris en parallèle à la grande exposition universelle, Drude propose une étude de la dispersion de la lumière par certains matériaux [35]33 . Cet article est un extrait de son livre « Lehrbuch der Optik » publié en janvier 1900 à Leipzig. Dans cet article le modèle de l’électron élastiquement lié est présenté et les valeurs de l’indice de réfraction sont discutées. Même si Drude est prudent dans sa conclusion : « J’ai indiqué dans ce qui précède le sens dans lequel peut être développée, à mon avis, une théorie fructueuse de la théorie des métaux, et dans lequel je chercherai à la développer. Je n’ai pas pu encore étendre assez mes calculs pour pouvoir affirmer que la théorie des électrons, sous la forme que je lui ai donnée, rend compte de tous les faits connus. En tout cas, jusqu’ici la comparaison avec les résultats qu’on en déduit avec ceux des expériences n’a conduit à aucune contradiction…». Pour Drude il semble établi que la conduction électrique dans les métaux est liée à une circulation ordonnée des électrons. Il faut également noter l’affirmation nette concernant les électrons ce qui doit être rapproché dans l’aspect balbutiant de Thomson ou de Perrin concernant ces particules. Néanmoins le vocabulaire est bien aussi tributaire de l’époque quand il écrit « l’intensité du courant j (il s’agit du vecteur densité de courant) se compose alors du courant de conduction, du courant de déplacement dans l’éther.. », puisque l’éther règne alors encore sur le monde de la physique. Le travail de Drude est bien reconnu par la communauté des physiciens. Par exemple Hendrick Antoon Lorentz démontre l’intérêt du travail de Drude lors du congrès Solvay de 1924 [36]34 : «Nous pouvons commencer par la belle théorie sur les conductibilités électrique et calorifique que Drude publia en 1900. Selon les idées de ce physicien, un courant électrique dans un métal consiste dans le transport d'électrons libres qui se meuvent dans les interstices intermoléculaires, l'électricité positive, qui est attachée aux atomes, restant en repos. ». En revenant à la pile Volta, on pourrait donc considérer que dans la partie fil électrique du système, il est connu en 1900 que le passage du courant électrique est interprété au niveau élémentaire. Toujours lors du même congrès Lucien Poincaré, cousin germain d’Henri Poincaré, propose un article sur la pile Volta [37]. Il où elles avaient laissé le doute ». Jean Perrin obtient le poste malgré la présence de Pierre Curie comme candidat. 33 L’article de Drude est écrit en allemand et est traduit par un maitre de conférences de la faculté des sciences de Rennes, Ch Maurain. 34 Le texte donné fait partie d’une biographie de Lorentz [Jean-Jacques Samueli, Jean-Claude Boudenot, H.A. Lorentz. La naissance de la physique moderne, Paris : Ellipses, 2005] qui montre son rôle à la fois dans le développement des théories physiques et aussi dans l’essor de la coopération internationale scientifique. Il est également disponible dans Collected Papers, Vol 8, p 263, Springer, 1935 C’est quoi, un courant électrique ? La Revue 3EI n°93 Juillet 2018 Hors Thème 57 s’interroge sur l’origine de la force électromotrice d’une pile et de l’énergie délivrée par la pile lorsqu’elle alimente un circuit. C’est la chimie qui donne la réponse. 11. Les travaux des chimistes pour finir le travail Est-ce que Volta avait reconnu que sa pile fonctionnait grâce à une réaction chimique ou bien le simple contact entre deux métaux différents suffisait-il ? La réponse n’est pas simple [38]. En tout cas les phénomènes se produisant au niveau des électrodes, qui sont des réactions chimiques d’oxydo-réduction, seront reconnus comme tels et décrits par des chimistes au début du vingtième siècle mais après beaucoup de tâtonnements. Cette question n’a pas fortement intéressé les historiens des sciences35 . Une brève étude assez récente donne un point de vue historique [39]. Un ouvrage de 1907 est cité [40] et donne une définition presque moderne : « The oxidation of any body may, then, consist in the addition of the atoms of a negative element to its molecules, atoms, or ions, or the withdrawal of the atoms of a positive element; or it may consist in the addition of positive charges of electricity, or the withdrawal of negative charges. Reduction is the reverse of this… ». Dans la seconde édition de ce livre qui date de 1915, et qui est accessible, si les ions sont correctement décrits, il n’est pas question d’électrons. Le sous-titre de cet ouvrage est « An elementary treatise for the use of students of chemistry » : les étudiants n’étaient-ils pas encore préparé à la notion d’électron ? Ou bien cette notion était jugée trop récente36 . Alexander Smith en 1915 [41] affirme d’une part (p145- 146) : «A negative charge on an atom of an element means that an electron has been added to the atom. A positive charge means that an electron has been taken from a neutral atom, leaving it positive. Thus an ion of chlorine (Cl-) is equivalent to an atom plus an electron (Cl+), an ion of hydrogen, an atom minus an electron (H-). When these two ions combine, a neutral molecule of HCl is formed. » et, d’autre part (p238) : «we reach the briefest definition by saying: oxidation is removing electrons and reduction is adding electrons. »37 . Mais aucune pile n’est étudiée dans ce livre écrit par un professeur de chimie de Columbia University. En 1922 Fritz Foerster [42] décrit la pile Daniell à la fois par des équations à chaque électrode mettant en jeu ions et charges positives ou négatives, mais il ne parle pas 35 Par exemple Isobel Falconer [I. Falconer (2006), A point in common: the electron in chemistry and physics, Atti del XI Convegno Nazionale di Storia e Fondamenti della Chimica , Rendiconti della Academia Nazionale delle Scienze detta dei XL , series 5, vol 24, p. 445-460] n’examine pas le fonctionnement d’une pile, objet qui peut être considéré comme relevant à la fois de la physique et de la chimie. 36 Pour les lycéens français la référence suivante discute ce point : [Jean-Michel Dusseau & Pierre Fréchengues, Introduction de l'électron dans l'enseignement secondaire français, vue à travers quelques manuels Didaskalia, n 16, p d’électrons, et par une réaction globale. Enfin en 1926, Dewitt T Keach [43] écrit des demi équations électroniques mettant en jeu des électrons. 12. Conclusion La nature de l’électricité est inséparable de la nature discontinue de la matière. L’histoire a divisé les sciences physiques en deux parties que sont la physique et la chimie. Ces deux communautés, même si elles partageaient parfois le même vocabulaire n’y mettaient forcément les mêmes significations. Ainsi l’atome du physicien, en fait il serait plus juste d’écrire les atomes des physiciens tant est grande la disparité de vue sur ce concept au dix-neuvième siècle, et l’atome du chimiste (id.) ne recouvrent pas la même signification. Les programmes scientifiques des deux communautés va nettement diverger et ne plus se recouvrir vers la fin du dix-neuvième siècle : les rayons cathodiques, le problème de l’éther, l’électromagnétisme et ces applications ainsi que le rayonnement électromagnétique pour les uns et des produits toujours nouveaux à synthétiser pour les autres. Cependant la compréhension de la nature du courant aurait été un élément de programme réunissant les deux communautés à travers l’étude des piles électriques. Le vocabulaire utilisé (molécules, atomes, ions) n’a pas été clairement explicité avant la fin du dix-neuvième siècle, ce qui a permis à Stoney de clamer son antériorité dans l’élaboration du concept d’électron. Ce concept se mettra en place lentement, avec de nombreux auteurs pouvant réclamer à juste titre un rôle dominant. Il n’est pas non plus nécessaire d’attendre Millikan [44] pour avoir une valeur de la charge de l’électron et de ce point de vue il a été souligné que Jean Perrin, au-delà du rôle reconnu pour ces recherches sur les rayons cathodiques, a proposé en 1901 une valeur numérique de bonne précision. La nature des ions a réellement été dégagée à partir d’Arrhénius ce qui permet de comprendre, avant 1900, la nature du courant électrique dans les liquides conducteurs. Ainsi la compréhension totale de la nature du courant électrique, comme circulation ordonnée de porteurs de charges, vue à travers le prisme de l’électrochimie, aurait été possible pratiquement au tout début du vingtième siècle. 13. REFERENCES [1] Georges Claude, L’électricité à la portée de tout le monde, Paris : Dunod, 1905 11-31, 2000]. Il est montré que dès 1908, l’électron fait son apparition. 37 Par contre la réaction chimique traduisant l’électrolyse du chlorure de sodium est écrite globalement sans faire référence à ce qui se passe au niveau de chaque électrode : 2NaCl + 2H2O + Elect. -> H2 + Cl2 + 2NaOH. Le rôle du courant électrique n’est visiblement pas encore saisi alors que les définitions des réactions chimiques d’oxydation et de réduction sont totalement modernes. De plus, l’écriture en terme d’ions n’est pas encore d’actualité. C’est quoi, un courant électrique ? La Revue 3EI n°93 Juillet 2018 Hors Thème 58 [2] Par exemple voir Bernadette Bensaude-Vincent, Isabelle Stengers, Histoire de la chimie, Paris, La Découverte, 1993 [3] André-Marie Ampère, Mémoire présenté à l'Académie royale des Sciences sur les effets des courans électriques, Annales de chimie et de physique, vol. 15, p. 59-76, 1820. [4] Par exemple voir Louis Figuier, Les merveilles de la science, p. 598-706, Paris: Furne, Jouvet et Cie, 1867. [5] Par exemple voir Hans-Christian Œrsted, Expériences sur l’effet du conflit électrique sur l’aiguille aimantée, annotations par Arago, Annales de Chimie et de Physique, tome 14 p. 417-425, 1820; traduction en français de « Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam », Journal für Chemie und Physik, p. 275-281, juillet 1820. [6] Jean-Michel Dusseau, Pierre Fréchengues, Introduction de l'électron dans l'enseignement secondaire français, vue à travers quelques manuels, Didaskalia, vol 16, p. 11-31, 2000. [7] Par exemple voir David L. Anderson, The discovery of the electron. The atomic concept of electricity, Princeton : Van Nostrand Company, 1964. [8] Paul Drude, Théorie de la dispersion dans les métaux fondée sur la considération des électrons, in Rapports présentés au congrès international de physique, Vol. 3, p. 34-46, Paris : Gauthier Villars, 1900 [9] Par exemple voir Theodore Arabatzis, Rethinking the « discovery » of the electron, Stud. Hist. Phil. Mod. Phys., Vol. 21, No. 4, p. 405-435, 1996 [10] Joseph J Thomson, Carriers of negative electricity, Nobel Lecture, December 11, 1906. [11] Alexander Volta, On the electricity excited by the mere contact of conducting substances of different kinds., Phil. Trans. R. Soc. Lond. 90, p. 403-431, 1800. [12] William Nicholson, Account of the new Electrical or Galvanic Apparatus of Sig. Alex. Volta, and Experiments performed with the fame, The Journal of Natural Philosophy, Chemistry & the Art, Vol. 4, p. 179-187, 1801. [13] Eleuthere Mascart, Jules Joubert, Leçon de l’électricité et le magnétisme, p. 276, Tome 1, Paris : Masson 1882. [14] Michael Faraday, Experimental researches in electricity, vol1, London: Bernard Quaritch, 1839. [15] Christine Blondel, Bertrand Wolf http://www.ampere.cnrs.fr/parcourspedagogique/zoom/ faraday/electrolyse/index.php [16] John W. S. Rayleigh et Eleanor M. Sidgwick, On the electro-chemical equivalent of silver and on the absolute electromotive force of Clark cells, Proceedings of the Royal society of London, 232, p. 142-146, 1884. L’article est signé H. Sidgwick pour Henry, prénom de son époux. [17] Hermann Von Helmholtz, On the modern development of Faraday’s conception of electricity, Science, Issue 44, p. 182-185, 1881. [18] Olivier Darrigol, The Voltaic Origins of Helmholtz’s Physics of Ions in Fabio Bevilacqua and Enrico Gianetto (eds), Volta and the history of electricity, p. 2-16, Milano: Hoepli, 2003. [19] Voir par exemple Bernadette Bensaude Vincent « Languages in chemistry .», in Mary Jo Nye ed., The Cambridge History of Science, vol V, p. 174-190. Modern Physical and Mathematical Sciences, Cambridge, Cambridge : University Press, 2003. [20] James G O’Hara, George Johnstone Stoney 1826–1911, in Physicists of Ireland. Passion and Precision, Edited by Mark McCartney and Andrew Whitaker, IOP Publishing Ltd, 2003 [21] Par exemple voir Asim O. Barut, Brief History and Recent Developments in Electron Theory and Quantum electrodynamics, in D. Hestenes, A. Weingartshofer, The Electron. New theory and experiment, vol 45, Springer & Dordrecht, 1991 [22] George J. Stoney, On the Physical Units of Nature.» Philosophical Magazine 11, 381–390, 1881. [23] George J. Stoney, On the Physical Units of Nature, The scientific proceedings of the Royal Dublin Society, Tome 3, p. 51-60, 1883. [24] James C. Maxwell, Traité d’électricité et de magnétisme, tome 1, Paris : Jacques Gabay, 1889 [25] James C. Maxwell, The theory of molecules, Popular Science Monthly, p276-290, janvier 1874 [26] George J. Stoney, On the cause of double lines and equidistant satellites in the spectra of gases, The scientific transactions of the Royal Dublin Society, vol. IV, p. 563-608, 1891 [27] Robert Nola, The optimistic meta-induction and ontological continuity: the case of the electron, in Rethinking scientific change and theory comparison : stabilities, ruptures, incommensurabilities?, edited by Lena Soler, Howard Sankey, Paul Hoyningen-Huene, Springer 2008. [28] Joseph Larmor, A Dynamical Theory of the Electric and Luminiferous Medium. Part I, Part II Theory of Electrons; Part III Relations with Material Media, Philosophical Transactions of the Royal Society A, Vol 185, p 719-822, 1894; Vol 186, p695-743, 1895; Vol. 190, p. 205-300, 1897 [29] Olivier Darrigol, The Electron Theories of Larmor and Lorentz: A Comparative Study, Historical Studies in the Physical and Biological Sciences, Vol. 24,p. 265-336, 1994. [30] Joseph Larmor, Aether and matter. A Development of the dynamical relations of the aether to materials systems on the basis of the atomic constitution of matter, Cambridge: University Press, 1900. [31] Oliver J. Lodge, Modern views of electricity, Londres: Macmillan and Co, 1889. [32] Joseph J. Thomson, Notes on Recent Researches in Electricity and Magnetism, p 189, Oxford: Clarendon Press, 1893. [33] Jean Perrin, Nouvelles propriétés des rayons cathodiques, Comptes rendus de l’académie des sciences, Vol. 121, p. 1130-1133, 1893. [34] Jean Perrin, Les hypothèses moléculaires, Revue scientifique, Tome 15, p. 449-461, 1901. [35] Paul Drude, Théorie de la dispersion dans les métaux fondée sur la considération des électrons, in Rapports présentés au congrès international de physique, Vol. 3, p. 34-46, Paris: Gauthier Villars, 1900. C’est quoi, un courant électrique ? La Revue 3EI n°93 Juillet 2018 Hors Thème 59 [36] Hendrick. A. Lorentz, applications de la théorie des électrons aux propriétés des métaux, Rapport à la réunion Solvay, avril 1924, Paris:Gauthier-Villard, 1927. [37] Lucien Poincaré, Quelques remarques sur les théories de la pile voltaïque, in Rapports présentés au congrès international de physique, Vol. 2, p. 403-421, Paris: Gauthier Villars, 1900. [38] Valeria Mosini, When chemistry entered the pile in: Bevilacqua, Fabio and Fregonese, Lucio, (eds.) Nuova Voltiana. Università di Pavia, Milan, Italy, p. 117-132, 2003. [39] William B. Jensen, The Origin of the Oxidation- State Concept, Journal of Chemical Education, Vol. 84, p. 1418-1419, 2007 [40] Henry P. Talbot, Arthur A. Blanchard, The Electrolytic Dissociation Theory with Some of Its Applications, p 54, New York: Macmillan, 1907. [41] Alexander Smith, A text book of elementary chemistry London: Bell and sons, 1915. [42] Fritz Foerster, Elektrochemie Wässeriger Lösungen, Leipzig : Von Johann Ambrosius Barth, 1922. [43] Dewitt T. Keach, The electron in oxidation- reduction, Boston Ginn and Co, 1926. [44] Robert A. Millikan, A new modification of the cloud method of determining the elementary electrical charge and the most probable value of that charge. Philosophical Magazine, Vol. 19, p. 209 –228, 1910.