@. Ampère et l'histoire de l'électricité 

L'électricité de pression de Haüy et l'électricité de frottement font cause commune

Par Christine Blondel et Bertrand Wolff

Depuis le XVIII^e siècle de multiples moyens ont été utilisés pour électriser un corps, outre le contact avec un corps déjà électrisé : le frotter, le battre, le presser, le chauffer ou encore le briser. Ces procédés d'électrisation se retrouvent dans la physique d'aujourd'hui, à l'exception de la pression. Certes quelques cristaux comme le quartz s'électrisent lorsqu'ils sont pressés, c'est le phénomène de la piézoélectricité. Mais dans ce cas, des charges opposées apparaissent temporairement sur des faces opposées du cristal et le cristal reste globalement neutre. L'électricité de pression décrite par Haüy en 1817 est un phénomène différent car le corps pressé acquiert, et conserve, une charge électrique d'un seul signe, comme dans le frottement. Nous avons constaté que cette "électricité de pression", disparue du champ de la science, se met assez facilement en évidence. Elle concerne tous les corps et, d'après l'état actuel des connaissances, l'électricité de pression aurait la même origine que l'électricité de frottement. Le frottement ne serait qu'un moyen, comme la pression, d'augmenter la surface de contact entre deux corps. Mais, à la différence de la piézoélectricité, l'électricité de pression n'a pas d'applications pratiques et son interprétation théorique reste délicate comme pour tous les phénomènes de surface. On a ici un exemple de phénomène physique facile à observer, longtemps décrit puis abandonné, et qui ressurgit un siècle plus tard sans pour autant avoir trouvé d'interprétation satisfaisante.

Les divers moyens d'électriser un corps

Le moyen usuel et le plus simple pour électriser un corps consiste à le frotter : dans les machines électriques du XVIII^e siècle, c'est un disque ou un globe de verre frotté qui permet d'électriser d'autres corps par contact.

Un autre procédé, très marginal, est signalé par Dufay en 1737 lorsqu'il rapporte une expérience controversée de Stephen Gray, un "planétarium" électrique dans lequel un pendule tourne au-dessus d'une galette de résine électrisée. Selon Gray, pour la réussite de l'expérience, "il ne fallait pas frotter circulairement [la galette de résine], comme on aurait été naturellement disposé à le faire, il ne fallait pas même la frotter, mais seulement la frapper perpendiculairement avec la main tant par dessus que par dessous." Mais Dufay ne réussit pas à reproduire les particularités de l'expérience de Gray. C'est l'occasion pour lui de rapprocher les deux modes d'électrisation, l'électrisation par frottement lui "paraissant être plus vive et durer plus longtemps" que par battage. Ce procédé d'électrisation par battage n'est que très rarement mentionné par la suite.

L'électrisation par chauffage, observée avec la tourmaline, et étudiée par Franz Aepinus au milieu du siècle, ne concerne que quelques cristaux. Lors du chauffage, le cristal acquiert une électrisation positive sur une face et une électrisation négative sur la face opposée, mais il reste globalement neutre. Enfin les changements d'état (vaporisation, solidification), le clivage des cristaux et quelques autres phénomènes physiques ou chimiques sont connus au XVIII^e siècle pour faire apparaître des électrisations mais celles-ci sont de faible intensité.

L'électricité de pression, la "petite découverte" de Haüy

Au cours de ses travaux visant à établir un classement des cristaux à partir de leurs propriétés physiques, René-Just Haüy étudie les propriétés électriques des minéraux et des cristaux. Il reprend quelques observations antérieures sur le rôle de la pression dans l'électrisation comme celle d'Antoine Libes qui avait décrit en 1804 l'électrisation obtenue en pressant un disque de métal isolé sur du taffetas gommé.

En 1817, Haüy décrit un nouveau phénomène : l'électrisation positive du spath d'Islande par simple pression entre les doigts. Il en est de même, ajoute-t-il, pour d'autres cristaux comme la topaze. Tous se chargent pareillement d'électricité "vitrée", le spath étant celui qui s'électrise le plus facilement. En outre cette électrisation subsiste plusieurs jours, voire davantage, même si le spath est mis en communication avec un conducteur.

S'appuyant sur cette propriété du spath, Haüy propose un nouvel instrument, une "aiguille électrique", permettant de déterminer la nature positive ou négative de l'électricité d'un corps. Un cristal de spath est fixé à l'extrémité d'une aiguille mobile sur un pivot isolant. Une fois pressé, le spath est repoussé ou attiré par le corps électrisé, suivant la nature positive ou négative de l'électricité du corps. L'aiguille électrique de Haüy pour déterminer le signe d'une charge électrique. Une aiguille métallique, mobile sur un pivot, porte à l’une de ses extrémités une lame de spath électrisée positivement par simple pression des doigts. Un corps électrisé attire ou repousse le spath suivant la nature de son électricité. [Becquerel, Antoine-César et Edmond, Traité d'électricité et de magnétisme, t. 1, 1855-1856]

La mise en évidence expérimentale de l'électricité de pression du spath

Afin d'obtenir une électrisation suffisamment forte pour attirer de petits bouts de papier, nous avons reproduit l'expérience avec une pression plus élevée que celle des doigts, en pressant, à l'aide d'un serre-joint, un cristal de spath maintenu entre deux couches de cuir. Le spath s'est bien électrisé positivement et a attiré des corps légers. Haüy utilisait un détecteur plus sensible, une aiguille métallique mobile sur un pivot, semblable au "versorium" de William Gilbert à la fin du XVIe siècle et qui lui permettait de mettre en évidence l'électrisation par la simple pression des doigts. Notons que nous avons obtenu le même effet d'attraction de petits bouts de papier par le spath, de façon ordinaire, en le frottant avec le même gant de cuir. L'électrisation du spath d'Islande par la pression. A l'aide d'un serre-joint, le cuir d'un gant est fortement pressé sur le spath. Le cristal attire ensuite de petits bouts de papier.

Antoine-César Becquerel et l'électricité de pression de corps non cristallins

Haüy avait étudié l'électricité de pression dans le cadre de ses travaux sur les cristaux. Quelques années plus tard Antoine-César Becquerel généralise les résultats de Haüy et montre que l'électricité de pression n'est pas spécifique aux cristaux, ni même aux isolants : 

"Cette propriété n'est pas aussi restreinte qu'Haüy le pensait, car elle appartient à tous les corps, même à ceux qui sont conducteurs, pourvu qu'ils soient isolés".

En pressant l'un contre l'autre deux petits disques fixés à des manchons isolants, Becquerel montre que, pressés contre le liège, le caoutchouc et les métaux s'électrisent négativement, alors que les cristaux "prennent l'électricité positive", comme l'avait noté Haüy. De nombreux autres corps, y compris les fruits, s'électrisent négativement. La vitesse de séparation des deux corps pressés, leur état de surface (poli ou non), l'hygrométrie et la température agissent sur cette électrisation, note-t-il.

Antoine-César Becquerel, Traité expérimental de l'électricité et du magnétisme, t. 2, 1834.

Becquerel va plus loin et cherche à établir des lois quantitatives. Ces lois de l'électrisation par la pression pourraient éclairer le processus de l'électrisation en général car "on n'a encore fait aucune recherche sur les lois du développement du principe électrique". Seule la pression fournit "un moyen d'électriser simple et facile à être mesuré". Becquerel doit recourir à une balance électrique de Coulomb particulièrement sensible pour pouvoir mesurer les faibles charges acquises lors de pressions exercées par des poids allant jusqu'à quelques kilogrammes [Sur la balance de Coulomb voir la vidéo Coulomb invente une balance pour l'électricité ]. Becquerel obtient une proportionnalité entre la pression et la charge électrique, tant que la pression n'est pas trop élevée. L'appareil de Becquerel : la pression sur les deux disques est réglée à l'aide du poids suspendu. La charge acquise par un disque est mesurée à l'aide de la balance électrique.

Par ailleurs il ordonne les corps selon leur tendance à s'électriser plus ou moins fortement par la pression, selon le même principe que les séries connues pour l'électricité de frottement. L'effet observé dépendant fortement du caractère plus ou moins lisse des surfaces en contact, Becquerel suggère que le phénomène concerne les molécules de la couche superficielle des corps.

L'électrisation d'une paille plastique par la pression

Une expérience simple montre que des corps non cristallins, tels que ceux utilisés dans les expériences classiques d'électrisation par frottement, peuvent s'électriser par la pression :

Prendre une paille de matière plastique, en évitant tout frottement (vérifier qu'elle n'attire pas des corps très légers).
Serrer fortement la paille entre les mâchoires métalliques d'un serre-joint, puis la retirer.
La partie de la paille qui a été comprimée attire des bouts de papier aussi fortement que si elle avait été énergiquement frottée.
Si on interpose le gant de cuir entre les mâchoires du serre-joint et la paille, le résultat est identique.

La même expérience peut être réalisée avec d'autres polymères ou avec du verre qu'on serre fortement. On vérifie bien que l'électricité de pression n'est pas une propriété spécifique aux cristaux.

Électrisation par pression d'une paille en matière plastique. Fortement serrée entre les mâchoires du serre-joint, la paille attire ensuite à bonne distance des bouts de papier.

L'électricité de pression oubliée, ou confondue avec la piézoélectricité

De nombreux ouvrages et encyclopédies attribuent un rôle à Haüy dans la découverte de la piézoélectricité. Cependant lors de leur découverte, en 1880, de la piézoélectricité du quartz, Pierre et Jacques Curie distinguent clairement le phénomène qu'ils viennent de mettre en évidence de l'électricité de pression de Haüy. Ils soulignent que le spath ne possède pas la symétrie nécessaire à la piézoélectricité. Son électrisation par la pression est donc, selon eux, "un phénomène de surface, entièrement différent".

Les traités de physique du XIX^e siècle précisent d'ailleurs que dans l'électricité de pression, les cristaux "peuvent conserver leur électricité libre pendant plusieurs jours", comme après un frottement. En revanche, dans la piézoélectricité, l'électrisation (qui provoque en outre l'apparition de charges opposées et non d'un seul type de charges) disparait lorsque la pression cesse.

Le succès des applications de la piézoélectricité, de la montre à quartz à l'échographie, peut expliquer l'oubli dans lequel est tombée l'électricité de pression de Haüy et Becquerel, simple "curiosité" sans application pratique. En outre, à la différence de la piézoélectricité qui s'appuie mathématiquement sur les propriétés de symétrie des cristaux, l'électricité de pression est longtemps restée sans interprétation théorique. Enfin, son étude expérimentale quantitative était difficile, les résultats n'étant que difficilement reproductibles.

Une même origine pour les électricités de pression et de frottement

Les recherches sur les mécanismes d'électrisation ont repris une certaine vivacité dans les années 1970. Ces recherches ont été stimulées à la fois par l'importance des problèmes causés par l'électricité statique dans l'industrie et par de nouvelles possibilités expérimentales (pureté des matériaux et qualité des états de surface).

Aujourd'hui l'électricité de pression et l'électricité de frottement sont toutes deux considérées comme des électricités de contact. Dans leur important article de synthèse, Contact electrification (1980), J. Lowell et A. C. Rose-Innes affirment d'emblée : 

"Quand deux matériaux sont mis en contact ou frottés l'un contre l'autre, une charge électrique est en général transférée de l'un à l'autre. On a souvent appelé électrisation par frottement ce phénomène, mais cette dénomination est trompeuse ; le frottement n'est pas nécessaire, et un simple contact est suffisant pour provoquer le transfert d'une charge considérable".

Cette affirmation semble peu évidente au regard de l'expérience courante : il ne suffit pas – heureusement ! - d'avoir tenu une règle à la main ou de l'avoir posée sur une étoffe pour qu'elle attire poussières et bouts de papier.

C'est que le "contact" évoqué par les spécialistes est celui qui s'établit à l'échelle microscopique. Or la surface "réelle" de contact, constituée de micro-aspérités à l'échelle microscopique, est beaucoup plus faible que la surface de contact apparente.

Entre deux métaux, dont les électrons sont mobiles, le contact produit un transfert d'électrons. Lorsqu'un des deux corps est un isolant, dont les électrons ne sont pas mobiles, le transfert reste limité aux points de contact "réels" au niveau microscopique. La charge transmise par simple contact est donc plus faible.

Les techniques empiriques d'électrisation - presser, battre, frotter l'une des surfaces sur l'autre - reviennent toutes à multiplier ou renouveler les zones de contact où peut s'opérer un transfert de charges. On comprend alors la constatation de Becquerel : une pression élevée, écrasant partiellement les microaspérités, augmente la surface de contact réel et par conséquent la charge transférée.

L'étude expérimentale et l'interprétation théorique restent difficiles

Comment étudier cette électrisation de contact ? Comme le soulignent J. Lowell et A. C. Rose-Innes, faisant allusion à la longue histoire de l'électrisation par frottement, "les premiers expérimentateurs avaient des difficultés à reproduire même les observations les plus simples et, pendant longtemps, le sujet a eu la réputation d'être un domaine difficile à étudier par l'expérience". Les causes de ces difficultés sont multiples : composition mal définie des matériaux, rôle des poussières, des impuretés chimiques et de l'humidité de l'air ambiant, état des surfaces, méconnaissance des surfaces réellement en contact à l'échelle microscopique.

"Ces difficultés ont été largement surmontées en réalisant les expériences dans le vide plutôt que dans l'air, et beaucoup de travaux ont été faits sur des polymères et d'autres matériaux bien définis (au moins par rapport aux fourrures et autres cires à cacheter !). [...] La quantité pertinente n'est pas la charge totale transférée mais plutôt la charge transférée par unité de surface de contact, c'est-à-dire la densité surfacique de charge. Aussi la mesure du transfert de charge devrait si possible être accompagnée d'une mesure de la surface sur laquelle la charge est répartie. [Par conséquent] le problème de la détermination de la surface réelle de contact entre les deux matériaux est crucial [...]". Cette surface réelle ne peut être mesurée directement. Une des méthodes d'étude consiste à presser très fortement une sphère métallique dure sur un polymère plus mou. "Il est alors probable, mais loin d'être certain, que la surface réelle de contact [...] est du même ordre de grandeur que la surface apparente", facile à mesurer dans ce cas (c'est celle de l'empreinte laissée par la sphère sur le polymère).

Les résultats restent cependant sujets à d'importantes fluctuations et sont affectés par la difficulté de connaître exactement la surface réelle de contact. Ces résultats expérimentaux ont-ils permis de progresser dans la compréhension théorique ? Lowell et Rose-Innes répondaient en 1980 :

"Le sujet [de l'électrisation de contact] se décompose bien sûr en trois cas : l'électrisation d'un métal par un métal ;  d'un isolant par un métal ; d'un isolant par un isolant. Le premier cas est bien compris ; le transfert de charge entre deux métaux est tel que leurs deux niveaux de Fermi soient mis en coïncidence [voir note (1)]. Le second cas, l'électrisation d'un isolant par un métal, a été récemment beaucoup étudié [...] ; notre compréhension demeure imparfaite, principalement à cause du manque de connaissances sur les états électroniques susceptibles d'entrer en jeu dans les isolants. L'électrisation d'un isolant par un isolant n'a pas été étudiée aussi abondamment, mais il y a de bonnes raisons de penser qu'une compréhension du cas métal/isolant conduira tout aussi bien à la compréhension du cas isolant/isolant." [J. Lowell et A. C. Rose-Innes]

L'introduction, pour les isolants, d'un équivalent au niveau de Fermi des métaux, n'est pas sans difficultés.

Enfin, n'existe-t-il plus de doute sur l'identification, quant au mécanisme fondamental, des électricités de frottement et de pression à une même électricité de contact ? Les expériences citées par Lowell et Rose-Innes font apparaître des différences entre les électrisations observées selon qu'on exerce une pression statique ou qu'on fait glisser à différentes vitesses une bille métallique sur un polymère. On peut en effet imaginer, sans remettre en cause le mécanisme fondamental, que le frottement provoque des effets supplémentaires tels que des modifications de la surface et une élévation de température. Mais on est loin de pouvoir les prendre en compte théoriquement.

Mystères anciens et modernes de l'électrisation par frottement

Les expériences classiques d'électrostatique, aussi bien que les phénomènes d'électrisation de la vie courante ( frottement avec une moquette ou avec des vêtements en fibres synthétiques), mettent en jeu des matériaux plus ou moins isolants. Or, comme on vient de le voir, les mécanismes fondamentaux de l'électrisation d'un isolant par un isolant sont encore loin d'être compris, même dans des conditions idéales de laboratoire. On conçoit donc qu'il subsiste de nombreuses énigmes dans les situations pratiques, notamment celles décrites dans les textes historiques.

Les auteurs du passé mettent en évidence l'importance de l'état physique des surfaces frottées. Ainsi John Canton montre en 1754 que le signe de l'électrisation obtenue par frottement ne dépend pas seulement de la nature des deux corps, mais aussi de leur état de surface ou de leur texture. Ainsi un tube de verre bien poli frotté par un tissu de coton acquiert une électricité positive, mais le même verre une fois dépoli se charge négativement. Si une moitié du tube est dépolie, l'autre moitié restant lisse, des électricités opposées sont produites sur chaque moitié du tube. De multiples expériences du XVIIIe siècle illustrent les variations de l'électrisation suivant le passé et la nature des surfaces. Ainsi, en frottant l'un contre l'autre deux fragments du même matériau, l'un poli et l'autre rugueux, celui dont la surface est rugueuse acquiert une charge négative. L'extrémité gauche, rugueuse, d'un bâton de verre, s'électrise négativement tandis que l'extrémité droite, polie, s'électrise positivement. [Lycée Ampère, Lyon]

En 1804 Libes avait montré que si un disque de métal est simplement pressé sur un disque de bois recouvert de taffetas gommé, le métal s'électrise négativement alors que si le même disque de métal est frotté sur le taffetas, le métal s'électrise positivement. On comprend l'étonnement exprimé par A.C. Becquerel devant cette différence paradoxale entre l'effet de la pression et celui du frottement !

Les physiciens explorent aujourd'hui plusieurs pistes pour rendre compte de ces paradoxes. Le rôle de la température a déjà été mentionné :  le frottement d'un corps rugueux produit sans doute un échauffement supérieur à celui obtenu avec un corps poli. Par ailleurs la pression statique et le frottement ne modifient pas de la même manière les états de surface. Les techniques utilisées pour dépolir un verre, physiques ou chimiques, peuvent entraîner des modifications de sa composition chimique et, elles aussi, modifier la structure microscopique de sa surface.

Comme dans les deux articles du Laboratoire historique, Les énigmes de l'adhérence électrostatique et Un phénomène plus complexe qu'il n'y paraît..., on constate que des expériences courantes, ainsi que certaines expériences historiques tombées dans l'oubli, résistent aux tentatives de réduction théorique. Décidément, pour qui cherche à illustrer la difficulté des théories physiques à rendre compte de la complexité du réel, les phénomènes électrostatiques les plus courants sont une mine !

Note
(1) Niveau de Fermi : c'est le plus haut niveau d'énergie occupé par un électron dans un métal. La différence de potentiel de contact entre deux métaux A et B, de l'ordre du dixième de volt, est proportionnelle à la différence entre les niveaux de Fermi, E_FA et E_FB, des deux métaux :
ddp = e (E_FA – E_FB).

Références

Sur l'électricité de pression de Haüy et A.-C. Becquerel :
       Shaul Katzir, The Beginnings of Piezoelectricity, Springer, 2006, p. 239 – 248 (Appendix 1)
       Christine Blondel, Haüy et l'électricité : de la démonstration-spectacle à la diffusion d'une science newtonienne, Revue d'histoire des sciences,        50, (1997) 265-282. En ligne sur Persee ou pdf

Sur les recherches modernes en triboélectricité :
       W.R. Harper, Contact and Frictionnal Electrification, Oxford, 1967.
       J. Lowell, A.C. Rose-Innes, Contact electrification, Adv. Phys., 29, (1980) 947-1023.
       C. Guerret-Piecourt, S. Bec, D. Tréheux. Charges électriques et tribologie des isolants, 2001. En ligne sur HAL ou pdf