@. Ampère et l'histoire de l'électricité 

Une découverte due au hasard ?

Par Christine Blondel et Bertrand Wolff

L'électricité peut-elle agir sur le magnétisme ?

Dans l'article "Feu électrique, Fluide électrique, ou Matière électrique" de l'Encyclopédie de Diderot et d'Alembert, Louis-Guillaume Le Monnier écrit :

"L'explosion d'une violente étincelle électrique altère quelquefois la boussole ou aimante de petites aiguilles, suivant la direction que l'on donne à cette étincelle : or il y a longtemps que l'on a observé qu'un éclat de tonnerre (qui n'est qu'une grosse étincelle électrique) est capable d'aimanter toute sorte d'outils de fer & d'acier enfermés dans des caisses ; de donner aux clous d'un vaisseau assez de vertu magnétique pour faire varier d'assez loin les boussoles ; en un mot, de changer en véritables aimants les croix de fer des anciens clochers, qui ont été plusieurs fois exposés aux vives impressions de ce terrible fluide."

Les récits ne manquent pas au XVIII^e siècle sur les effets magnétiques provoqués par les orages. Des navigateurs ont même observé l'inversion des pôles de leur boussole sous l'action de la foudre.

Benjamin Franklin est de ceux qui ont cherché à reproduire ces effets avec des étincelles électriques. Sous l'action de la décharge de puissantes batteries de bouteilles de Leyde, il réussit à aimanter des aiguilles d'acier et à inverser les pôles d'un aimant. Mais il croit constater aussi, contrairement à l'affirmation de Le Monnier, que le sens du magnétisme acquis par l'aiguille dépend de son orientation par rapport au méridien magnétique terrestre et non de la direction de la décharge. Aussi écrit-il en 1773, que "ces deux puissances [l'électricité et le magnétisme] n'ont aucun rapport l'une à l'autre" et que "la production apparente du magnétisme n'est qu'accidentelle". La cause finale serait donc le magnétisme terrestre, auquel les effets thermiques ou mécaniques de la décharge donneraient la possibilité d'agir. Cette opinion est reprise par les physiciens français.

Mais une autre piste pour rapprocher électricité et magnétisme reposait sur les analogies que présentent les interactions entre les deux types d'électricité d'une part, et entre deux pôles d'aimant d'autre part. Deux corps d'électricités opposées s'attirent, tout comme un pôle nord et un pôle sud.

La pile récemment découverte, avec ses deux extrémités, positive et négative, n'aurait-elle pas quelque point commun avec un barreau aimanté ? Le terme "pôle" qui désigne encore aujourd'hui la borne d'un générateur trouve d'ailleurs là son origine. On tente ainsi, sans succès, de faire agir une pile isolée sur une aiguille magnétique. On tente aussi, inversement, de produire des électrolyses à l'aide de "batteries d'aimants". Ou encore, on fait flotter une batterie de piles à la surface de l'eau, en espérant qu'elle s'orientera sous l'effet du magnétisme terrestre. L'Allemand Ritter pense mettre ainsi en évidence des pôles électriques de la terre.

Ritter était un savant reconnu pour ses travaux sur la chimie et l'électricité galvanique. Il avait dès 1800 découvert l'électrolyse de l'eau, indépendamment de Nicholson et Carlisle. Il est aussi l'inventeur de la première "pile secondaire" , c'est-à-dire de l'accumulateur. Mais le caractère illusoire de ses "découvertes" liant électricité et magnétisme apparaît rapidement, d'où une méfiance durable envers les thèses des savants qui, comme Oersted, se réclament de Ritter.

Il faut noter que dans toutes ces expériences, on a utilisé des piles dont les pôles ne sont pas reliés. Ceux qui recherchent ce type d'analogies, comme Ritter ou Oersted, s'attendent en effet à des propriétés liées à l'existence de pôles opposés, dont l'électrisation se vérifiait par la déviation d'un électromètre. Or ces déviations de l'électromètre disparaissent lorsqu'on joint les deux pôles de la pile par un fil conducteur (la tension entre les pôles de la pile est alors trop faible pour être décelée avec un électromètre) [Voir la vidéo La pile de Volta en court-circuit ].

Les échecs de ces tentatives ne suffiront pas à dissuader Oersted, guidé par la conviction d'une unité profonde des "forces" de la nature. Mais son procédé expérimental sera très différent de celui de Ritter : les pôles de la pile seront mis en communication.

Qui est Hans-Christian Œrsted (1777-1851) ?

Né dans une petite ville sans école, fils d'un apothicaire peu fortuné, c'est à quelques habitants instruits de la ville qu'il doit un enseignement varié, et dès l'âge de 12 ans il assiste son père, avant d'entrer à l'université de Copenhague, où il étudie pharmacie, médecine, physique, astronomie, et philosophie. Docteur en philosophie, il est l'auteur, à 22 ans, d'une thèse sur Kant. Il commence sa vie professionnelle comme apothicaire à Copenhague. Mais dès l'annonce de la découverte de Volta, il expérimente sur les décompositions chimiques à l'aide de puissantes batteries voltaïques. De 1801 à 1803, il effectue un tour d'Europe, rencontrant savants, poètes et philosophes - notamment en Allemagne les philosophes Schelling et Fichte. Il discute longuement avec Ritter à Iéna, en diffuse ensuite les thèses à Paris, et poursuit une correspondance avec lui. De retour à Copenhague en 1803, il obtient la chaire de physique en 1806.

Premières recherches

En 1812, dans un ouvrage publié en allemand, Ansicht der chemischen Naturgesetze, - la traduction française remaniée de 1813 a pour titre explicite Recherches sur l'identité des forces électriques et chimiques - il inclut des "Remarques sur le magnétisme" où l'on peut lire : "[A partir de] la conviction que je nourrissais au sujet de l'identité des forces électriques et magnétiques, [...] je résolus de tester mon opinion par l'expérience. [...] Il faudrait essayer si l'électricité, dans son état le plus latent, n'a aucune action sur l'aimant comme tel. Cette expérience ne serait pas sans difficulté".

Oersted sait ce qu'il en est des prétendues "découvertes" de Ritter. Les arguments en faveur de l'indépendance des phénomènes électriques et magnétiques lui sont bien connus. Par exemple, qu'une aiguille métallique soit aimantée ou non, ne change rien à son comportement au voisinage d'un corps électrisé par frottement : dans les deux cas elle s'électrise par influence et se tourne vers le corps électrisé. Mais l'idée d'Oersted est qu'il existe une hiérarchie des formes d'action de l'électricité : électricité de frottement - la moins "latente" -, électricité "galvanique" (celle de la pile), et enfin magnétisme - la plus latente. Seules pourraient interagir les formes semblables, les autres formes se croisant "sans se gêner mutuellement". C'est pourquoi il est inutile de chercher à faire agir l'électricité de frottement (statique) sur l'aimant. Si Oersted espère cependant pouvoir déceler un effet de l'électricité galvanique sur "l'aimant en tant que tel", alors que l'électricité de frottement ne fait pas de distinction entre aiguille aimantée ou non aimantée, c'est qu'à ses yeux la forme "galvanique" se rapproche davantage de la forme magnétique. Mais puisqu'elle ne fait que s'en rapprocher, on peut s'attendre à ce que l'effet soit faible et demande des circonstances particulièrement favorables : "cette expérience ne serait pas sans difficulté".

De fait, c'est seulement sept ans plus tard qu'Oersted reprendra le sujet. Mais au vu de ces réflexions de 1812, dont il reconnaîtra certes en 1821 le caractère obscur, il est difficile d'attribuer au pur hasard, comme le fait une légende tenace, les circonstances de sa découverte.

La découverte Au printemps 1820, lors d'un cours privé donné à quelques étudiants "déjà fort avancés en science" - comme il le précise dans un de ses récits -, alors qu'il porte à incandescence un fil de platine reliant les deux pôles d'une pile de Volta, Oersted constate que la boussole située dans le voisinage dévie légèrement. Selon ses convictions sur la nature électrique de la chaleur , l'incandescence du fil manifeste un état favorable du "conflit électrique", qui déborde alors en quelque sorte du fil conducteur. C'est ce qui lui fait d'abord utiliser un fil très fin, là où nous savons que l'effet est beaucoup plus important avec un conducteur plus gros, de faible résistance et donc parcouru par un courant plus intense. Dans ces conditions l'effet magnétique est faible et lui parait, selon ses propres termes, "confus". Il attend d'avoir "plus de loisir" pour reprendre la recherche. Cette gravure publiée dans Les Merveilles de la science de Louis Figuier (t. 1, 1867), comporte des inexactitudes : Oersted se servait d'une pile à auges et non de la pile de Volta proprement dite. Mais elle témoigne de l'intérêt que portait Oersted à l'étude de la chaleur : le réflecteur parabolique, dans la partie droite de la gravure, permettait d'étudier la réflexion et la focalisation du "rayonnement calorifique", c'est-à-dire le rayonnement infrarouge, qui se réfléchit comme la lumière. Ceci témoigne encore de son intérêt pour les analogies entre les différents phénomènes physiques.

C'est au début de juillet qu'il reprend méthodiquement ses expériences, utilisant notamment une pile plus puissante, jusqu'à ce qu'il puisse conclure dans un bref mémoire de quatre pages, en latin, publié le 21 juillet :

"l'aiguille aimantée change de direction par l'influence de l'appareil voltaïque", c'est-à-dire la pile, et "cet effet a lieu lorsque le circuit est fermé et non lorsqu'il est interrompu". C'est pour avoir laissé le circuit ouvert, ajoute-t-il, que de célèbres physiciens n'ont point réussi, il y a quelques années, à montrer cet effet.

La première partie du mémoire est une présentation des expériences fondamentales. Plusieurs métaux ont été employés "avec un égal succès" pour le "fil conjonctif".

Oersted s'est rendu compte également qu'un fil de diamètre notable produit des effets plus importants que le fil de platine initial, et que l'incandescence n'est pas nécessaire pour qu'il y ait un effet magnétique. Cela n'est pas explicite dans le mémoire mais ressort de ses notes de laboratoire et de récits plus tardifs.

[Voir la vidéo L'expérience d'Oersted ]

L'interprétation de l'expérience par Oersted

Pour Oersted, le passage de l'électricité dans le fil conducteur, ou fil conjonctif, ne consiste pas en une simple circulation de fluide : "Nous désignerons l'effet qui se manifeste dans le conducteur et autour de lui pendant l'action voltaïque, par l'épithète de conflit électrique."
Ce terme de conflit n'est pas davantage précisé, mais ses effets sont bien définis : "le conflit électrique n'agit que sur les particules magnétiques de la matière", puisqu'il ne dévie pas les aiguilles non magnétiques. En outre, "il paraît, d'après les faits exposés, que le conflit n'est pas circonscrit au fil conducteur, mais qu'il a autour de lui une sphère d'activité assez étendue." Le conflit entre les deux électricités opposées s'étend donc dans l'espace.
Sa manière d'agir est très surprenante puisque "ce conflit agit en tournoyant", formant une hélice autour du fil, puisqu'il oriente la boussole tangentiellement à un cercle centré sur le fil. Et Oersted d'ajouter : la "matière électrique négative" décrit une spirale à droite et agit sur le pôle nord tandis que la "matière électrique positive" possède un mouvement de sens contraire et agit sur le pôle sud sans agir sur le pôle nord.
Cette action n'est pas du tout celle qu'il recherchait ! Il expliquera en 1827 qu'à l'image des effets lumineux et calorifiques produits par le courant, il s'attendait à un effet radial émanant du conducteur. La boussole aurait alors pointé vers le fil.
Ampère modifiera légèrement l'interprétation d'Oersted, l'action magnétique du fil conducteur ne formant plus une hélice mais des cercles centrés sur le fil, suivant ce qu'on appelle aujourd'hui les lignes du champ magnétique.

L'accueil de l'expérience

La découverte d'Oersted met à mal les schémas de la "science électrique" de l'époque. De plus les opinions philosophiques de son auteur suscitent le scepticisme. Si la réception par le monde savant est enthousiaste, en revanche rares sont les physiciens qui adhèrent au type d'explication que donne Oersted. Une période d'intense bouillonnement théorique et expérimental commence... [Voir la page Une expérience qui dérange... et passionne]

En même temps qu'elle ouvre un nouveau champ théorique, la découverte d'Oersted est à l'origine de l'essor de l'électricité moderne.

Pour en savoir un peu plus

MONNIER, Emmanuel. Les déviations inattendues de Christian Oersted. Les mathématiques expliquent les lois de la nature. Les Cahiers de Science & Vie, 67, février 2002, p. 12-19.

LOCQUENEUX, Robert. La naissance de l'électromagnétisme, une incompréhensible expérience. 200 ans de science, 1789-1989. Science & Vie Hors-série, 166, 1989, p. 46-53.

THUILLIER, Pierre. De la philosophie à l'électromagnétisme : Le cas Oersted. La Recherche, 21, 1990, p. 344-351.

DIBNER, Bern. Oersted and the Discovery of Electromagnetism. New York, 1961.

KIPNIS, Nahum. Chance in Science: The Discovery of Electromagnetism by H.C. Oersted. Science and Education, 14, 2005, p. 1-28.

CANEVA Kenneth L., The Form and Function of Scientific Discoveries, Dibner Library Lecture, Smithsonian Institution Libraries, November 16, 2000 [ Voir le PDF]

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