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Histoire de l'électromagnétisme

Professeur de physique danois, Hans Christian Oersted (1777-1851) commença la véritable histoire de l’électromagnétisme avec sa célèbre expérience de 1820 :

Il montra qu’un courant circulant dans un fil créé un champ magnétique perpendiculaire au fil. Il brancha une pile de Volta aux deux bornes d’un fil et observa la déviation d’une aiguille aimantée située à proximité.

L’interversion des deux pôles de la pile fait dévier l’aiguille dans l’autre sens. Il arriva même à interpréter celle-ci à l’aide de la théorie des fluides électriques : “La matière électrique négative décrit une spirale à droite et agit sur le pôle Nord tandis que la matière électrique positive possède un mouvement en sens contraire et a la propriété d’agir sur le pôle Sud”.

Sens du courant électrique et convention

Andre-Marie Ampère (1775-1836) fut un adepte du double fluide: il conserva l’appellation d’électricité positive et négative tout en précisant qu’il ne s’agit que d’une convention.
Il affirma que les deux électricités sont produites par la pile.
C’est lui qui posa la première convention de sens du courant électrique : si on connaît le sens de transport d’un des fluides, on connaît forcément l’autre, il suffit d’en choisir un et d’appeler courant électrique son sens de circulation. C’est le fluide positif qui sera choisi.
Cette théorie des deux fluides s’impose alors, surtout en Europe continentale. Mais il est difficile d’expliquer comment les deux fluides se croisent sans se neutraliser.

Le bonhomme d’ampère

Ampère se servira de ce nouveau courant pour concevoir le “bonhomme d’ampère” : il permet de prévoir la déviation de l’aiguille aimantée (le sens du champ magnétique) en fonction du sens de circulation du courant. Malgré cette théorie des deux fluides, on voit bien qu’il est nécessaire de définir un courant.

Sens du courant et règle de la vis

John Clerk Maxwell (1831-1879), considéré comme le père de l’électromagnétisme, donne son avis sur cette théorie fluidique électrique : il dit que tant que rien n’a été prouvé, il faut éviter de parler de fluide électrique.
Maxwell utilise la notion de courant dans sa règle de la vis (ou du tire-bouchon) :
”Supposons qu’une vis droite s’avance dans la direction du courant, en tournant, en même temps, comme au travers d’un corps solide, c’est-à-dire, dans le sens des aiguilles d’une montre, le pôle nord de l’aimant tendra toujours à tourner autour du courant dans le sens de la rotation de la vis, et le pôle sud, dans le sens opposé”.

J.-J. Thomson (1856-1940) dira d’abord que “l’on ne pourra pas départager les deux théories fluidiques tant que l’on ne connaîtra pas la constitution de ce ou ces fluides”.
Il étudiera consciencieusement les rayons cathodiques (issus d’une cathode chauffée) pour découvrir le corpuscule d’électricité négatif.

Ainsi, le fluide unique de Franklin semble l’emporter, “un corps chargé positivement est un corps qui a perdu une partie de ses corpuscules”.
Ainsi, le verre ne se charge pas positivement, il perd de l’électricité !

Ampère étudia attentivement l’expérience d’Oersted et la compléta avec ses propres expériences et hypothèses :
• il expérimenta la force magnétique qui s’exercent entre deux fils parcourus par un courant et montra que celle-ci dépend du sens du courant dans les fils, de la distance entre les fils
• il eut l’intuition que les propriétés magnétiques de la matière (du fer) sont dues à des courants électriques microscopiques ;
• il observa le phénomène d’induction (courant induit dans une bobine traversée par variation du champ magnétique à l’intérieur de celle-ci), mais ne poussa pas plus loin ses investigations.
Les travaux d’Ampère permettront à Arago d’inventer l’électroaimant en 1820 (une bobine de fil parcourue par un courant se comporte exactement comme un aimant), et de montrer que le fer peut s’aimanter grâce à un courant.
On notera aussi qu’Ampère eut l’idée d’un télégraphe électrique dés 1820.

En 1822, la roue de Barlow peut être considérée comme la première machine électrique : une roue composée de multiples pointes métalliques est parcourue par un courant. Celui-ci peut circuler car les pointes de la roue baignent dans un récipient de mercure : le circuit est donc fermé. Au niveau du récipient de mercure, un aimant en forme de fer à cheval crée un champ magnétique. Les pointes qui arrivent au niveau de l’aimant subissent la force de Laplace, force électromagnétique qui les met en mouvement perpendiculairement à l’axe de rotation de la roue. Tant qu’un courant circule, la roue tourne … mais la puissance motrice développée est faible.

Michael Faraday qui n’était pas physicien mais relieur, ne rata pas la découverte de l’induction électromagnétique en 1831 : si le flux du champ magnétique à travers une bobine de fil varie, un courant électrique induit apparaît dans cette bobine.
Cette découverte donnera naissance à l’alternateur, au moteur électrique, au transformateur, à la plaque à induction …
Cependant, Faraday ne formalisera pas mathématiquement cette découverte, il utilisera seulement les notions de champ magnétique et de champ électrique pour la première fois dans l’explication du phénomène.

Ampère a théorisé le télégraphe électrique, mais ne la pas conçu. On doit la construction du premier télégraphe électrique à Wheatstone en 1838, celui-ci relia Londres à Birmingham. Le télégraphe utilise un interrupteur comme émetteur, celui-ci commande le courant envoyé dans la ligne.Ce courant électrique sert à transporter l’information.A l’autre bout de la ligne, un électroaimant retranscrit les impulsions de courant et marque un bout de papier. Le télégraphe le plus célèbre est celui de Samuel Morse et son code associé : un brevet lui est accordé en 1840 pour cette invention.

C’est donc Maxwell qui établit mathématiquement en 1864 toutes les lois de l’électromagnétisme à partir principalement des travaux d’Ampère et de Faraday.
Ces lois se résument en quatre équations, deux concernent les champs électriques et magnétiques séparément, deux autres montrent la relation entre ces deux champs.
Les lois de Maxwell montrent que les champs électromagnétiques s’influencent mutuellement : ils n’ont pas besoin de courant ni de charges pour se propager de proche ne proche à une certaine vitesse c de la lumière.
Maxwell conclut que la lumière est une onde électromagnétique : elle est une oscillation transversale du champ électromagnétique car les champ sont perpendiculaires à la direction de propagation. Ainsi cette nature électromagnétique de la lumière permet d’expliquer certaines observations de Faraday concernant la polarisation de la lumière.

La dynamo

• la dynamo inventée par Zénobe Gramme en 1869 permet de produire un courant électrique à l’aide d’une force mécanique. On peut alors se passer de pile électrique !

Moteur à induction

• Le moteur à induction par Nicolas Tesla en 1880 largement utilisé aujourd'hui.

L’électromagnétique prend un nouvel élan en 1888 avec la production et la détection d’ondes électromagnétiques par Heinrich Hertz : il produit des ondes grâce à une décharge électrique, il les détecte grâce à une boucle de fil dans laquelle un courant apparaît lorsqu’elle est traversée par une onde. Il vérifiera que ces ondes ont bien la même vitesse que la lumière.

La radio

Avec les travaux d’Heinrich Hertz, il ne reste plus qu’à contrôler la production des ondes et être capable de les détecter pour pouvoir transmettre de l’information. C’est ainsi que la radio naîtra, on attribue son invention à Giuglielmo Marconi qui en 1896 transmettra un signal sur 10km.

Autres applications

Que pourrait-on faire de nos jours sans l’électromagnétique : radio, télévision, téléphonie sans fil, wifi, micro-onde, radar, plaque à induction, moteur, alternateur, enregistrement numérique, etc.
Ce domaine de la physique est partout présent, au quotidien il nous facilite la vie.