@. Ampère et l'histoire de l'électricité 

Teinturiers et tubes de verre : Gray et Dufay

Par Christine Blondel et Bertrand Wolff

Que peuvent bien faire des teinturiers avec des tubes de verre ? Il se trouve que les deux principaux contributeurs à la science de l'électricité dans les années 1730, l'Anglais Stephen Gray et le Français Charles Dufay, furent impliqués dans la teinture des tissus. Au XVIII^e siècle les "physiciens", comme on disait en France, ou "philosophes de la nature" (natural philophers) comme on disait en Angleterre, ont des profils très variés. Les uns sont des amateurs fortunés, d'autres de modestes artisans - c'est le cas de Gray -, certains détiennent des charges administratives importantes, comme Dufay. Mais deux personnages aussi éloignés géographiquement et socialement que Gray et Dufay avaient cependant en commun d'une part la pratique de la teinture, l'habitude de manier des fils et des cordons de toutes natures et de toutes finesses, ainsi que le goût pour les sciences de la nature. Ce sont les revues scientifiques diffusées dans toute l'Europe par les sociétés savantes créées à la fin du XVII^e siècle (Mémoires de l'Académie des sciences de Paris et Philosophical Transactions de la Royal Society de Londres) qui firent le lien entre les deux hommes et leur permirent de partager leurs curieuses expériences électriques menées avec des tubes de verre frottés.

Le teinturier anglais Gray et la "communication" de l'électricité

L'Anglais Stephen Gray (1666-1736), teinturier de son état mais amateur de sciences, s'intéresse aux séances de la Royal Society. Dans l'Angleterre du début du XVIII^e siècle et pour un artisan aisé de province, l'acquisition de connaissances scientifiques va de pair avec une progression de statut social. Il commence par des observations au microscope et au télescope, les deux instruments scientifiques favoris des amateurs. En 1708 il adresse à la Royal Society, l'équivalent de l'Académie des sciences à Londres mais beaucoup plus ouverte aux amateurs, une lettre décrivant "de nouvelles expériences sur la lumière et l'électricité" où il étudie les lueurs électriques produites par le frottement. Il s'intéresse aussi aux phénomènes d'attraction et répulsion après contact avec le corps frotté. Mais sa lettre n'est pas publiée. Plus tard il présente à la Royal Society sa découverte de nouveaux "électriques", c'est-à-dire des corps électrisables, tels que soie, plumes, papier, et autres corps non rigides. Il ne parvient pas, en revanche, à électriser les métaux en les frottant ou en les martelant.

Au cours de ses expériences, en 1729, pour éviter que la poussière ne pénètre à l'intérieur du long tube de verre qu'il électrisait par frottement, Gray le ferme par des bouchons de liège... et voilà que les bouchons attirent à leur tour les objets légers. Et s'il fixe dans le bouchon une baguette terminée par une boule d'ivoire, cette dernière acquiert à son tour la même propriété ! Gray multiplie alors les essais, suspendant toutes sortes d'objets au bout d'une ficelle, fixée au bouchon de liège, et de plus en plus longue. [Voir la page Lettre de Gray à Mortimer - Extrait 1] Il augmente encore la distance de transmission de la "vertu" électrique en laissant pendre par une fenêtre une ficelle de chanvre ou un fil métallique long d'une dizaine de mètres. Enfin il réalise l'expérience à l'horizontale dans une longue galerie : une corde de chanvre d'une trentaine de mètres terminée par une boule d'ivoire est supportée par des cordons de soie, comme le lui a suggéré son ami Wheler. Le pouvoir d'attraction est encore transmis du tube de verre électrisé à la boule ! [Voir la page Lettre de Gray à Mortimer - Extrait 2] Gray considère que c'est grâce à "son peu de grosseur" que la soie "détourne peu la vertu électrique", permettant ainsi la communication de l'effluve électrique le long de la seule corde de chanvre Dans l'expérience de Gray, la corde de chanvre repose sur des cordons de soie. Ici, plusieurs allers et retours de la corde permettent de vérifier la "communication de l'électricité" jusqu'à 250 m de distance !

Mais plusieurs cordons de soie ayant cédé, Gray et Wheler remplacent ces cordons par des fils de laiton, plus solides. Bien que ces fils métalliques présentent également la finesse requise, il n'y a plus d'attraction au bout de la corde de chanvre ! C'est donc la nature du matériau - soie d'une part, laiton ou ficelle d'autre part - et non sa finesse qui détermine s'il y a ou non "communication de l'électricité".

"Lorsque l'effluve électrique arrive au fil [de laiton] qui supporte la corde de chanvre, il passe par ce fil aux montants de bois auxquels chacune de ses extrémités est fixée, aussi ne poursuit-il pas plus loin le long de la corde qui devait le conduire à la boule d'ivoire".

S'il multiplie les variations expérimentales, allant jusqu'à communiquer l'électricité à 250 m de distance, en revanche Gray ne formule pas d'interprétation théorique. Les choses sont plus compliquées, estime-t-il, qu'un simple mouvement d'effluves matériels et le terme de "vertu électrique", qu'il utilise également, désigne l'ensemble des effets produits par l'électricité (attraction/répulsion et lueurs). De fait d'autres expériences défiaient toute interprétation, comme l'attraction de sa plume électrisée par des corps non électrisés. Cependant des essais répétés lui permettent d'affirmer qu'on peut distinguer deux catégories de corps, ce qui explique la différence de comportement des fils de soie et des fils de laiton : 

Johann Gabriel DOPPELMAYR, Neu-entdeckte Phaenomena ... , Nürnberg, 1744

- tous les métaux, le bois, le roseau ou le chanvre, sont des conducteurs ... mais aussi : les bulles de savon, l'eau, un parapluie, une tranche de bœuf, ou un jeune garçon ! [Voir la page Lettre de Gray à Mortimer - Extraits 3 et 4] - le verre, les résines, ou la soie sont des isolants. Ces derniers ne transmettent pas "l'effluve électrique" [l'électrisation], qu'ils conservent à leur surface dans la zone qui a été frottée. Le corps humain est conducteur : Gray en fait la démonstration en suspendant par des cordes de crin un enfant dont les jambes sont mises en contact avec le tube de verre frotté ! Les extrémités de son corps (tête, mains) attirent à distance les corps légers.

Les termes conducteurs et isolants ne sont pas ceux utilisés par Gray. Le mot conducteur est introduit vers 1740 par son compatriote Desaguliers, auteur d'un traité de physique à succès diffusant les idées de Newton. Plus tard, au cours du XVIII^e siècle, on montre que, s'ils sont parfaitement secs, le chanvre, le bois ou les roseaux ne sont pas vraiment conducteurs.

La mise en évidence par Gray de "l'électrisation par communication", c'est-à-dire en termes modernes la conduction électrique, introduit un nouveau concept et une nouvelle technique permettant de prendre en considération - du point de vue de l'électricité - tous les corps existants. Jusqu'alors l'étude de l'électricité se limitait en effet à quelques corps électrisables par frottement et aux attractions qu'ils provoquent. Désormais l'électricité concerne tous les corps et la conduction, qui permet leur classement, remplace l'attraction comme propriété fondamentale. Avec ce nouveau concept de "communication", l'électricité devient une propriété générale de la matière et l'électricité un nouveau domaine de la physique.

A l'âge de 64 ans, Gray obtient enfin la reconnaissance scientifique par son élection à la Royal Society, cette assemblée qui l'avait quelque peu snobé à ses débuts lorsqu'il n'était qu'un artisan teinturier de Canterbury.

A la fin de sa vie, Gray est convaincu du rôle universel de l'électricité dans la nature. Elle serait même la cause probable des mouvements de la lune autour de la terre et de ceux des planètes autour du soleil. Dans son planétaire électrique, destiné à reproduire le mouvement circulaire d'une planète, une petite boule de liège est suspendue, par un fil tenu à la main, au-dessus du centre d'un disque de résine électrisée. Au centre du disque une boule d'ivoire représente le soleil. Et la boule de liège tenue à la main se met à tourner continûment dans le même sens que les planètes... Mais après sa mort, on trouve le phénomène difficile à reproduire et son ami Wheler reconnaît que la rotation continue de la boule est due aux mouvements inconscients de la main. Le planétaire électrique n'est pas devenu un objet de la physique.

Le teinturier et jardinier français Dufay et les deux électricités

Les mémoires de Stephen Gray de 1731-1732 attirent l'attention d'un jeune membre de l'Académie des sciences, Charles-François de Cisternay Dufay (1698-1739) admis comme adjoint-chimiste à 25 ans grâce au soutien de Réaumur. De bonne noblesse, il a quitté l'armée à vingt ans pour se consacrer aux sciences et publie des mémoires dans tous les domaines couverts par l'académie : mathématiques, physique, chimie, etc. En 1732 il y ajoute la botanique en devenant Intendant du Jardin du Roi dont il fait le plus riche jardin botanique d'Europe. En tant qu'inspecteur des teintureries du royaume, il entreprend l'étude des techniques de teinture, en particulier le mélange des couleurs ainsi que la différence de capacité d'absorption des divers fils - laine, coton, soie, chanvre - pour un même colorant. Il partage avec Gray un intérêt pour les techniques des artisans de la teinture et, comme lui, il fut crédité d'une grande familiarité avec ces techniques et d'une grande habileté manuelle. La finesse des fils, comme la température des bains, étaient alors évaluées à la main. Lors de son voyage en Angleterre avec Jussieu et l'abbé Nollet, Dufay rencontre Gray et ils échangent sur le rôle de la couleur dans la conduction électrique des fils de soie.

Dans son étude du magnétisme, Dufay n'est pas parvenu à mesurer la force magnétique entre deux pôles d'aimants. Les travaux de Gray en électricité lui ouvrent de nouvelles perspectives. Tout d'abord il cherche à étendre et systématiser les observations de Gray. Tous les corps peuvent être électrisés, montre-t-il : si certains corps comme les métaux ne peuvent pas être électrisés de façon sensible par frottement, ils peuvent l'être considérablement par contact, à condition d'être tenus par un manche isolant. Divers dispositifs classiques dans l'enseignement depuis le XVIIIe siècle (excitateur à manches de verre, pendule électrostatique, tourniquet électrique) : les tiges métalliques destinées à être électrisées sont isolées par un manche ou un support en verre.

Dufay étudie aussi, plus systématiquement que Gray, les phénomènes de répulsion entre corps électrisés, et surtout, en donne une interprétation. Pour lui, lors du contact entre un corps électrisé et le corps neutre qu'il attire, il y a "communication" d'électricité du premier au second. Une fois tous deux électrisés, ils se repoussent. Dufay pose alors comme un principe que les corps électrisés attirent ceux qui ne le sont pas et qu'ils repoussent ceux qui sont venus s'électriser à leur contact ou à leur approche. Ainsi une feuille d'or qu'on laisse tomber au-dessus d'un tube de verre frotté est repoussée vers le haut dès qu'elle touche le tube.

Mais qu'arrive-t-il si l'on approche un morceau de résine frottée de la feuille d'or électrisée qui flotte en l'air ? Dufay électrise une feuille d'or par contact avec un tube de verre frotté. Alors repoussée, elle s'élève en l'air. Puis il en approche un barreau de gomme copal (résine d'un arbre exotique) électrisé par frottement :

"la feuille fut s'y appliquer sur le champ [...]. J'avoue que je m'attendais à un résultat tout contraire parce que, selon mon raisonnement, le copal qui était électrique devait repousser la feuille qui l'était aussi".

Même effet d'attraction sur la feuille d'or avec l'ambre frotté... Mais lorsque Dufay en approche un cristal de roche frotté, la feuille d'or est repoussée comme par le tube de verre ! [Voir la vidéo La danse des feuilles d'or ]

Dans ces expériences on observe souvent en outre une adhérence des feuilles d'or au tube de verre ou au bâton de résine [Voir dans le Laboratoire Historique Les énigmes de l'adhérence électrostatique]

"En sorte que la feuille repoussée par les uns [...] était attirée par les autres ; cela me fit penser qu'il y avait peut-être deux genres d'électricité différents".

D'un côté l'électricité produite par le frottement du verre, du cristal de roche, des pierres précieuses ou d'une fourrure animale, de l'autre l'électricité produite par le frottement des résines ou de la soie (on a constaté ultérieurement que la nature de l'électricité produite par frottement peut aussi dépendre du corps frottant).

"Il y a deux sortes d'électricité [...] l'une que j'appelle électricité vitrée, et l'autre électricité résineuse. Le caractère de ces deux électricités est de se repousser elles-mêmes et de s'attirer l'une l'autre. Ainsi un corps de l'électricité vitrée repousse tous les autres corps qui possèdent l'électricité vitrée, et au contraire il attire tous ceux de l'électricité résineuse."

Dufay est également l'inventeur d'un instrument, fondé sur les propriétés de répulsion mutuelle entre électricités de même espèce, pour mettre en évidence et évaluer l'électrisation d'un corps. Les électroscopes d'enseignement, à feuilles d'or ou d'étain, reprennent ce principe. Un électroscope humain ? Les cheveux de cette personne fortement électrisée ont tous "contracté une électricité de même nature" - pour reprendre le vocabulaire de Dufay. Ils se repoussent donc mutuellement.

Les découvertes de Dufay, publiées dans une série de mémoires en 1733, représentent une avancée majeure de la "science électrique". Mais il meurt prématurément cinq ans plus tard. Sa théorie est rejetée par son assistant l'abbé Nollet et par la plupart des "électriciens" français, comme en témoigne l'article "Electricité" paru en 1755 dans l'Encyclopédie. [Voir la page Que dit l'article ELECTRICITE de l'Encyclopédie ?]

La dualité des électrisations est proposée à nouveau, en 1747, par Benjamin Franklin. Mais on ne peut assimiler les deux électricités de Dufay, liées pour lui à la nature des corps et agissant par l'intermédiaire de "tourbillons électriques", aux électrisations positives et négatives de Franklin, liées pour ce dernier à l'excès ou à la perte d'un "fluide électrique" unique. Cela même si les corps manifestant les électricités "vitrée" ou "résineuse" chez Dufay sont bien les mêmes que ceux s'électrisant positivement ou négativement chez Franklin...

Pour en savoir plus

Lettres de Gray à Mortimer

Huit mémoires de Dufay sur l'électricité

FONTENELLE, Bernard Le Bovier de. Eloge de M. Du Fay. Histoire de l'Académie royale des sciences (1739), 1741, p. 73-83. [ Voir le PDF]

BORVON, Gérard. De Dufay à Ampère. Des deux espèces d'électricité aux deux sens du courant électrique. Un moment de l'Histoire de l'Electricité, Bulletin de l'Union des Physiciens, Janvier 1994, n° 760, p.27.

BEN-CHAIM, Michael. Social mobility and scientific change: Stephen Gray's contribution to electrical research. British Journal for the History of Science, 1990, 23, p. 3-24.

SCHAFFER, Simon. Experimenters' Techniques, Dyers' Hands and the Electric Planetarium. Isis, 1997, 88, p. 456-483.

Une bibliographie de "sources secondaires" sur l'histoire de l'électricité

Sur l'attraction électrostatique des corps légers, voir dans le Laboratoire historique Un phénomène plus complexe qu'il n'y paraît...