Y’a de l’électricité dans l’air ! - Dossier du Vendredi #6


Ce matin, après t’être réveillé·e et avoir allumé la lumière de ta chambre, tu t’es sûrement dirigé·e vers ton frigo pour en sortir ton petit déjeuner. Après t’être calé l’estomac, tu as dû aller te brosser les dents, peut-être avec une brosse à dents électrique. Ensuite, selon ton âge, tu es sorti·e de chez toi pour aller à l’école (en voiture, en bus, en trottinette) ou tu t’es installé·e à ton bureau pour allumer ton ordinateur et tu as commencé à suivre tes cours. A un moment, tu as peut-être traîné un peu sur ton GSM, que tu avais laissé charger pendant la nuit.

Toutes ces activités, somme toute banales, ne sont possibles que grâce à notre maîtrise de l’électricité. D’ailleurs, dans notre région du monde, une maison sans prise de courant électrique, cela n’existe pas ! L’utilisation de l’électricité a radicalement révolutionné nos modes de vie ; l’on imagine mal vivre sans elle désormais.

On pourrait penser qu’il s’agit d’une découverte récente, mais l’électricité fait l’objet d’expériences scientifiques depuis les années 1600. Et elle est connue depuis presque la nuit des temps ! En effet, depuis toujours, nos ancêtres ont observé le ciel et ces grands arcs de lumière qui jaillissaient parfois des nuages orageux. La foudre est l’une des preuves les plus frappantes et universelles de l’existence de l’électricité. Mais aussi les poissons « électriques » : les anguilles ou encore les poissons torpilles. D’ailleurs, l’électricité des poissons torpilles était déjà exploitée par les Romains, dès le premier siècle après J.-C., pour traiter la migraine ou la goutte, grâce à des électro-chocs. Ce n’est qu’en 1660 qu’Otto von Guericke arrive à créer de l’électricité ressemblant à des éclairs, au moyen d’une boule de souffre en rotation. L’humanité apprend petit à petit à se servir de l’électricité ; on découvre qu’on peut la générer grâce, notamment, à des piles et qu’elle peut être conduite par certains matériaux. De très nombreuses applications se développent dans le courant du XIXe siècle, telles que les batteries, le télégraphe et le téléphone, les moteurs, la dynamo ou encore l’éclairage.

Cependant, même si on sait de mieux en mieux l’utiliser, la nature même de l’électricité reste un sujet de recherches non résolu. C’est le 30 avril 1897, il y a donc 124 ans aujourd’hui, que Joseph Thomson annonce sa découverte à la Royal Institution. L’électricité se compose en fait de corpuscules plus petits qu’un atome, l’électron.

mceclip0 - 2021-04-29 15h26m54s

Joseph John Thomson (1846-1940)

La découverte de l'électron

Pour découvrir l’existence des électrons, Thomson a utilisé les rayons cathodiques et a dû effectuer trois expériences différentes. Si tu as déjà vu de « vieilles » télévisions, tu as sûrement remarqué qu’elles étaient beaucoup plus grosses que nos écrans plats actuels. C’est parce que, pour fonctionner, ces télévisions nécessitaient des tubes cathodiques dans lesquels circulait un faisceau d’électrons qui permettait la formation des images sur l’écran.

Pour sa première expérience, Thomson utilise le même genre de technologie. Il observe un faisceau d’électrons circulant dans un tube vide (contenant le moins d’air possible) avec, au bout, un électromètre qui enregistre la charge électrique du faisceau. Entre le début du tube et l’électromètre, Thomson place une sorte d’aimant qui génère un champ magnétique. Quand cet aimant est en place, l’électromètre ne mesure presque aucune charge, ce qui veut dire que le faisceau d’électrons ne l’atteint plus. Pour expliquer ceci, une seule possibilité : le faisceau a été dévié par le champ magnétique. Pour qu’une telle déviation ait lieu, la seule explication possible c’est que le faisceau soit constitué de particules possédant une charge électrique.

Pour déterminer si cette charge est positive ou négative, Thomson va effectuer une deuxième expérience. Au lieu d’utiliser un aimant pour dévier le faisceau d’électrons grâce à un champ magnétique, il utilise cette fois un champ électrique. Au lieu de placer un électromètre au bout du tube, il recouvre cette zone d’une peinture phosphorescente, qui permettra de détecter le faisceau. En fonction du sens dans lequel le rayon est dévié, connaissant le sens du champ électrique, on peut déduire la charge des particules. Grâce à cette expérience, Thomson découvre que le faisceau électrique est composé de particules de charges négatives.

On sait désormais que l’électron est un corpuscule chargé négativement qui compose ce qu’on appelle « l’électricité ». Dans sa troisième expérience, Thomson étudie à nouveau la déviation d’un rayon cathodique suite à l’exposition à un champ magnétique. Il va mesurer l’importance de la déviation du faisceau ainsi que son énergie cinétique (l’énergie due à la vitesse des électrons). Grâce à ces données, il découvre que l’électron a, soit une charge très élevée, soit une masse beaucoup plus faible que celle de l’atome.

Suite à ces expériences, Thomson imagine ce qu’on appelle un « modèle » de l’atome. Pour lui, l’atome se compose d’une sorte de « pudding » chargé positivement, dans lequel flottent des « prunes » (« plum » en anglais) chargées négativement. Bien sûr, les « prunes » (c’est-à-dire les électrons), ont une masse bien plus faible que le « pudding » chargé positivement. Ce modèle est appelé le modèle de « Plum Pudding ». Si tu te demandes pourquoi mettre des prunes dans du pudding, saches simplement que Thomson était anglais, et que la culture culinaire là-bas est bien plus exotique que la nôtre … Finalement, ce modèle n’est plus utilisé de nos jours, mais c’est une autre histoire !

La guerre des courants

D’ailleurs, des histoires autour de l’électricité, il en existe plein ! Tu as peut-être déjà entendu parler de celle-ci ? Si je te dis Tesla, tu penses sûrement tout de suite aux voitures électriques fabriquées par la compagnie Tesla, dirigée par Elon Musk. Ce nom vient en fait d’un ingénieur de génie très productif, qui a déposé un nombre incroyable de brevets pour des inventions autour de l’électricité : Nikola Tesla. Dans ses jeunes années, Tesla a travaillé pour un autre grand nom de l’électricité, Thomas Edison, qui a notamment commercialisé l’ampoule à incandescence et qui est à l’origine du système d’éclairage de New-York de l’époque, en autres.

mceclip0 - 2021-04-29 15h32m20s

Thomas Edison (1847-1931) - Cf. : https://fr.wikipedia.org/wiki/Thomas_Edison
 
mceclip1 - 2021-04-29 15h33m58s
 
Nikola Tesla (1846-1953) - Cf. : https://fr.wikipedia.org/wiki/Guerre_des_courants

 

Quand Edison engage Tesla, le système d’éclairage de New York fonctionne grâce à du courant continu. Des centrales produisent du courant électrique qui est transporté jusqu’aux habitations grâce à d’épais câbles de distribution. Ce système comporte de nombreux défauts, notamment celui de la perte de tension avec la distance. En effet, les câbles ne transportent pas parfaitement le courant, il y a une certaine perte, et plus le câble est long, plus la perte est grande. Cette perte est due à ce qu’on appelle la résistance des câbles. Il était donc nécessaire de placer une centrale tous les 2 kilomètres environs, afin de compenser cette perte, ce qui n’est pas vraiment pratique, surtout dans une ville si dense que New-York. Un autre défaut de cette installation réside dans le fait qu’elle ne pouvait fournir qu’une seule tension. Ainsi, une ampoule d’éclairage public extérieur ou une ampoule d’une lampe de chevet recevaient la même tension électrique et éclairaient donc avec la même puissance, ce qui n’est pas vraiment le but recherché.

Tesla a une idée pour résoudre tous ces problèmes : utiliser du courant alternatif plutôt que du courant continu. Dans le courant continu, le courant est envoyé le long des câbles toujours dans le même sens. Dans le courant alternatif, le sens du courant est inversé périodiquement. L’avantage du courant alternatif, c’est qu’il est beaucoup plus facile de modifier sa tension. Grâce à un transformateur, une tension très élevée peut être transformée en une tension beaucoup plus faible. Du coup, il suffit d’envoyer une tension très élevée dans les câbles de distribution et d’installer un transformateur dans les habitations. Ainsi, la tension très élevée reçue (typiquement 10 fois plus importante que la tension nécessaire) est transformée en tension plus faible pour alimenter les différents appareils de la maison. Cela permet aussi de diminuer le nombre de centrales. En effet, si la tension est plus élevée à la base, les pertes auront beaucoup moins d’impact.

Cette idée de Tesla va révolutionner l’utilisation de l’électricité. D’ailleurs, de nos jours, c’est toujours le courant alternatif qui est utilisé dans nos maisons. Mais à l’époque, il lui aura fallut lutter pour que son idée soit entendue. En effet, Edison avait déjà investi dans ses installations à courants continus et il aurait perdu beaucoup d’argent si les villes décidaient de passer au courant alternatif. Il va donc multiplier les efforts pour empêcher le courant alternatif de Nikola Tesla de percer. C’est pourquoi on parle de « guerre » des courants. Il va prétendre, par exemple, que le courant alternatif est dangereux, beaucoup plus que le courant continu, et va procéder à des électrocutions d’animaux en public pour le « démontrer ». Il ira jusqu’à financer (en restant dans l’ombre bien sûr) le développement de la chaise électrique comme moyen de mise à mort des détenus condamnés à la peine capitale, pour montrer que le courant alternatif pouvait tuer. Cette guerre sera gagnée par Tesla en 1893, quand on lui confie l’installation électrique destinée à exploiter les chutes du Niagara pour alimenter en courant la ville de Buffalo et ses industries. Cette décision sera suivie par de nombreuses autres villes, menant à l’utilisation généralisée du courant alternatif.

Activité

Envie de produire ta propre électricité ? Savais-tu que tu pouvais y arriver par exemple grâce à une patate ? Si ça t’intéresse, voici une petite vidéo qui t’expliquera comment faire :

https://www.youtube.com/watch?v=Ph-dT6CBBms&t=9s

Si la guerre des courants t’intéresse et que tu veux en savoir plus, un film est sorti en 2017 à propos de cette histoire, il s’intitule The current war : Les pionniers de l’électricité. Nous te le conseillons ! Si tu t’intéresses particulièrement à Tesla, un autre film est sorti en 2020 et retrace sa vie. Il s’intitule tout simplement Tesla.


Dossier préparé par les "YoungMinds" de Liège. 

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