Raoul Graziotti. La pile de Volta

Raoul
Graziotti.
La pile de Volta
« La vérité sort plutôt de l'erreur que de la confusion des
faits, »
Francis Bacon.
Introduction.
Volta (1745—1827)
Des événements fortuits ont souvent influé sur
l'acte de création d'une technique à un moment donné.
La pile de Volta peut être prise comme exemple
d'une chaîne opératoire aboutissant à une nouvelle technique de génération de l'électricité, à partir de théories
erronées et d'une expérimentation judicieuse.
Les philosophes du X V I I P siècle suivant le
système de Descartes supposaient que tous les
phénomènes du monde physique n'étaient que les
manifestations d'une même cause.
La plupart des physiciens de cette époque
considérait l'électricité — expérimentée uniquement à
partir des charges fournies par des machines
électrostatiques — comme un jeu. Sauf de rares exceptions, ils remarquèrent surtout les effets des décharges
de ces générateurs sur le corps humain — geste
technique qui traduit une culture scientifique bloquée.
Pendant cent vingt ans de 1660 à 1780, ces
«expérimentations» se succédèrent sans apporter de
bouleversements.
Il aura fallu une polémique passionnée entre
«galvanistes » et « voltaïstes » qui dura dix ans, pour que
des objets existant de tout temps — des pièces de monnaie, de l'eau acidulée, et des morceaux d'étoffe — soient
utilisées dans un système : la «pile» et conduisent à la
naissance d'une filière électrochimique de générateurs
électriques.
L'utilisation de cette source de courant continu
basse tension va permettre aux expérimentateurs de
trouver en trente ans les principales lois de l'électricité
dont les applications conduiront à une nouvelle forme
de civilisation.
La «pile électrochimique» aurait-elle pu naître
plus tôt? Nous allons essayer de répondre à cette
question.
Les prémisses.
Galvani (1737—1798)
Il y a deux mille cinq cents ans. Thaïes de Milet,
astronome grec, remarque que certaines substances
avaient une « â m e » , «parce qu'elles pouvaient attirer à
elles des matières inanimées comme par une aspiration
-18f-
Expériences faites par les médecins de l'Association de Mayence.
Expériences faites par les médecins de l'Association de Mayence.
Œrsted découvre la dérivation de l'aiguille aimantée par le courant électrique.
Œrsted découvre la dérivation de l'aiguille aimantée par le courant électrique.
La grande pile de l'Ecole Polytechnique construite en 1813.
La grande pile de l'Ecole Polytechnique construite en 1813.
Volta construit en décembre 1799 l'électro-moteur ou pile électrique.
Volta construit en décembre 1799 l'électro-moteur ou pile électrique.
— 182 —
Le docteur Ure galvanisant le corps de l'assassin Clydsdale.
Expérience de Dufay
du souffle» —il s'agissait de l'ambre (elektron)
substance fossile qui, frottée, génère des forces
électrostatiques — et observe également qpe certaines
pierres attiraient le fer et pouvaient lui communiquer la
«vie» en lui transmettant cette propriété (forces
magnétiques).
Dix-sept siècles plus tard —au moment de la
construction de la cathédrale Saint-Marc à Venise et de
la création de l'Université de Paris — les textes chinois
font mention pour la première fois de l'aiguiller
aimantée et de la déclinaison magnétique.
En 1600, William Gilbert (1530-1613), physicien
anglais, publie un traité sur le magnétisme De Magnete,
premier ouvrage relatant les observations effectuées
aussi bien sur le magnétisme terrestre que sur les
propriétés des corps électrisables par frottement. Dans
cet ouvrage historique, figure pour la première fois le
terme «Electricité» (Vis Electra).
Les cabinets de physique.
Dès ce moment, les découvertes s'accélèrent et,
en 1660, la première machine à produire un effet
électrique est construite par Otto de Guericke à
Magdebourg. (Photo 1).
Cette machine est constituée par un globe de
soufre monté sur un axe en bois. Les charges s'effectuaient par frottement manuel. Le soufre était connu dès
l'Antiquité, mais plus de deux mille ans se sont écoulés
entre les observations de Thaïes et la construction de
cette machine élémentaire dont l'utilisation aboutira au
premier ouvrage traitant de phénomènes électrostatiques.
«Expérimenta Nova Magdeburgica. »
Cinquante ans plus tard, Hawkesbee (1640-1713),
physicien, remarquant la lueur créée par le frottement
du mercure dans un tube manométrique (inventé
quatre-vingts ans auparavant par Torricelli), construisit
un globe de verre pouvant tourner autour d'un axe.
Le vide étant fait dans le globe, un frottement
manuel entraînait l'apparition d'une luminosité à
l'intérieur de celui-ci.
Pour la première fois, un phénomène lumineux
électrique était créé artificiellement et étudié.
Par ailleurs, Hawkesbee, remarquant la possibilité
de tirer des étincelles de ce globe quand il était frotté, le
perfectionne par adjonction de frotteurs en drap. Des
expérimentateurs remplacèrent ce globe par un
cylindre, puis par un disque de verrez
Les travaux de Dufay (1698-1739) sur la propagation de l'électricité dans le corps humain, suscitèrent un
grand intérêt, particulièrement chez les physiciens
allemands.
Ces machines se répandirent rapidement en
Allemagne et se perfectionnèrent, en particulier par
l'adjonction d'un frotteur en cuir (sauf en France, où
l'abbé Nollet considérait que le frottement manuel était
supérieur).
Toutes ces modifications durant le XVIIP siècle
aboutirent à l'une des plus grandes machines à plateau
jamais construites, celle de Culthberton, commandée
en 1784 par Van Marum.
En voici les caractéristiques principales :
Deux disques de verre distants de 19 cm et de
1,65 m de diamètre coulés par Saint-Gobain (pour un
prix de 3000 livres) et frottés par quatre coussinets.
Hauteur totale de la machine : 2,64 m.
Longueur totale de la machine: 1,70m.
Cette machine permettait d'obtenir des trains
d'étincelles de 0,60 m de longueur.
Deux mille ans se sont écoulés entre les
observations de Thaïes et la première machine électrostatique à globe de soufre, et cent vingt ans, entre celle-ci
et la machine de Van Marum, qui représente
l'aboutissement d'un système technique qui, à l'époque,
n'a pu aboutir à une expérimentation féconde^.
Ce n'est qu'en 1930, que les machines électrostatiques à courroies seront utilisées.
Pendant toute cette période, de multiples
expériences ont été effectuées surtout par des curieux
— comme l'abbé Nollet qui écrivit un ouvrage en sept
volumes sur ses observations— et des médecins qui
tantôt utilisaient les décharges électriques à des
applications médicales ou des expérimentations. (Bichat
en 1798 obtint l'autorisation de procéder à des expériences sur des cadavres de guillotinés qui lui étaient livrés
peu après l'exécution.)
— 183-
Galvani, professeur à Bologne, découvre en 1780, l'irritabilité des muscles de la grenouille par l'élearicité.
•
Davy décompose les alcalis par la pile voltaïque.
Ces machines électrostatiques fournissaient des
décharges haute tension de courte durée. Le stockage de
ces décharges par les bouteilles de Leyde inventées
en 1745 ne pouvait conduire à une expérimentation
suivie sur les phénomènes électriques, car le fil
métallique très fin et bien isolé n'apparaît qu'en milieu
du XIX^ siècle. La réversibilité de ces machines n'a pas
été expérimentée, ce qui entraînera un retard
considérable dans la notion de moteur électrique.
Par contre, les décharges d'une machine électrostatique, initiant une contraction de muscle de grenouille,
incita en 1780 un médecin italien Luigi Galvani à entreprendre à Bologne une série d'expériences, qui le conduisirent à élaborer une théorie «de l'électricité animale». Cette théorie n'étant pas du goût d'un physicien
italien, Volta, celui-ci entreprit une série de
manipulations qui l'amenèrent —afin de vérifier sa
théorie de «métaux excitateurs»— à bâtir une «pile»
de disques de zinc et d'argent alternés —séparées par
des morceaux de drap imbibés de vinaigre ou d'eau salée
(en 1799). Pour la première fois un dispositif était
capable de fournir un courant continu à basse tension
pendant un temps voulu, sans faire appel à une énergie
mécanique.
Nous allons voir maintenant les conditions qui
préludèrent à la création de cette pile.
Polémique entre Galvani et Volta,
Depuis 1745, date à laquelle le physicien Dufay
avait tiré une étincelle électrique du corps humain, à
l'aide d'une machine à globe de verre, de nombreuses expériences de ce genre furent réalisées au titre delà curiosité, puis en applications médicales.
En 1750, Caldoni (1725-1813) avait signalé l'action de l'étincelle électrique sur les muscles des grenouilles.
En 1776, l'Académie de Lyon avait fondé un prix
qui fut attribué au travail de Thours : « De l'influence de
l'électricité sur le corps humain ».
En 1783, Morat fait imprimer à Rouen un
ouvrage : Mémoire sur Vélectricité médicale.
En 1773, Galvani (1740-1798), professeur
d'anatomie à l'université de Bologne, commence une
expérimentation relative à l'irritabilité des muscles de
grenouille.
Un soir de l'année 1780, dans le laboratoire de
Galvani, un aide qui disséquait des pattes de grenouille,
vit celle-ci se contracter quand le scalpel toucha le nerf
crural.
Lucia Galvani —la femme du professeur —
constata que cette contraction avait lieu seulement
quand on tirait une étincelle d'une machine électrique
voisine^ (Les pattes de grenouille constituant un électroscope très sensible.)
Galvani, qui possédait de solides connaissances en
électricité statique, voulut élaborer une théorie de
r«électricité animale» et pendant six ans, il entreprit
des recherches sur l'influence exercée par l'électricité
des machines sur les contractions musculaires.
Le 20 septembre 1786, ayant suspendu une patte de
grenouille par un crochet de cuivre à une balustrade en
fer, les contractions se produisirent. Ce phénomène
pouvait donc être obtenu simplement par un arc bimétallique en contact à une de ses extrémités avec les nerfs
de la grenouille et par l'autre extrémité avec son système
musculaire. Galvani mettra en évidence que seuls les
matériaux conducteurs de l'électricité pouvaient
produire ce phénomène et en entourant les nerfs lombaires de la grenouille d'une feuille d'étain et les muscles
de la jambe d'une feuille d'argent, il réalisa un
électroscope d'une très grande sensibilité.
De ces expériences, Galvani tire les conclusions
suivantes :
- le muscle est une bouteille de Leyde organique,
- le nerf joue le rôle d'un conducteur,
- l'électricité positive circule de l'intérieur du muscle au nerf et du nerf au muscle à travers l'excitateur métallique.
L'ensemble de ses travaux fut l'objet d'une publication dans les Mémoires de l'Académie de Bologne
en 1791 :
Viribus electricitatis in motri musculari
Commentarius. Pour la première fois, la notion
d'électricité dynamique était évoquée.
De même qu'en 1747, les travaux de Duray relatifs
à l'action de décharges électrostatiques sur le corps
humain, suscitèrent de nombreuses expériences, la publication de Galvani fit sensation et très rapidement il se
forma deux clans. Dans le clan des opposants, un
physicien italien, Alessandro Volta (1745-1821), déjà
connu par la découverte de l'électrophore (1775), de
l'eudiomètre (1778) et du condensateur (1783) se fit le
fougueux partisan de la deuxième hypothèse
(abandonnée par Galvani). Cette hypothèse attribuait
au métal la propriété de générer l'électricité"^.
Selon Volta, l'électricité agissant sur le muscle,
pouvait provenir :
- soit du contact (sec) de deux métaux différents,
- soit du contact (humide) d'un seul métal avec les
différentes humeurs du nerf et du* muscle.
De part et d'autre les expériences se multiplièrent,
Galvani faisant apparaître les contractions de la patte de
grenouille, en repliant le nerf crural directement sur le
muscle de la cuisse, ce qui le confirma dans la validité de
sa théorie.
En 1792, Fabroni (1752-1822), chimiste florentin,
exposa sa théorie dans une dissertation adressée à l'Académie de Florence (dissertation reprise dans le Journal
de Physique, brumaire an VIII), sur l'action chimique
des différents métaux entre eux à la température
commune de l'atmosphère et sur l'explication de quelques phénomènes galvaniques. Un peu avant Fabroni,
Laplace et Lavoisier avaient pu charger un condensateur
à partir de l'électricité créée par un mélange de limaille
de fer et d'acide sulfurique.
La pile de Volta.
Enfin, en 1799, Volta réalise un dispositif constitué par empilement de disques de zinc et de disques d'argent alternés, chaque couple étant séparé par un feutre
imbibé d'eau, et qu'il désigne sous le nom d'électromoteur. Cette «pile» permet d'obtenir un courant électrique continu.
L'importance de cette invention échappa à son
— 185-
auteur, obnubilé par l'éclatante vérification de sa théorie.
Pour Volta, la «pile» n'était qu'un dispositif
propre à exciter des commotions chez l'animal, et non
un objet de recherche et de développement en soi.
Il repousse toute idée d'action chimique en niant
un effet éventuel de la couche liquide interposée entre
les métaux. A son avis, seul le contact de deux métaux
différents crée l'effet électrique.
Volta commit une erreur théorique — il repoussa
toute intervention et l'action chimique du liquide sur les
métaux — mais ne commit pas de confusion expérimentale. Par contre, ce qui est étonnant, il n'a fait état de la
baisse d'énergie de la pile après utilisation intense qu'en
l'attribuant à une dessication des rondelles de drap
mouillé. Il n'accorde pas d'importance aux
efflorescences salines qui se forment autour des disques
de zinc (sulfate de zinc) et le dégagement de gaz sur les
électrodes qu'il a dû remarquer. En fait, ces phénomènes
lui paraissaient probablement secondaires.
Les inventions.
La facilité de construction de la pile de Volta,
conduisit des expérimentateurs de génie à une série de
découvertes primordiales.
2 mai 1800 : Electrolyse de Veau par Nicholson et
Carliste.
1801 : Identification de l'électricité produite par
une pile de 60 couples superposés et par la machine électrique de Van Marum.
1801 : Construction de la pile horizontale par
Cruishank.
1806: Mémoire sur le mode d'action chimique de
l'électricité par Davy.
1807 : Electrolyse des alcalis par Davy.
1812 : Construction de la pile sèche par Zamboni.
1813: Construction de la grande pile de l'Ecole
polytechnique (600 couples de cuivre et de zinc) surface: 54 m2.
1813: Arc lumineux entre deux électrodes de
charbon par Davy.
1815 : Fusion de fils métalliques par Children.
1820: Découverte de Vélectro^magnétisme par
Œrsted.
1821 : Découverte de l'effet thermo-électrique par
Seebeck.
1817: Mort de Volta.
1828: Principe du moteur électrique fondé sur
l'induction par Faraday.
1836: Première pile à courant constant par
Daniell.
1866 : Pile Leclanché.
Actuellement, piles à action différée. Oxyde
d'argent-zinc «Type Volta».
genre humain. »
Quatre ans plus tard, Caldoni, médecin anatomiste
italien, signale les faits qui seront découverts en 1780
par Galvavi. Les travaux de Caldoni ne sont pas
remarqués, et il faudra attendre 1791 pour que la
polémique entre Galvani et Volta sur r« électricité animale» et r«électricité métallique» débouche sur la
fameuse pile.
Constatant l'action d'un arc bimétallique, Galvani
obnubilé par la vérification de sa théorie, a utilisé la grenouille comme électroscope — confondant de ce fait
l'effet et la cause — et non l'électrophore de Volta,
inventé en 1775. Celui-ci, au contraire, entreprend une
expérimentation plus rationnelle. Il établit une liste des
métaux telle que chaque métal situé au-dessus d'un autre
devait créer une charge positive par rapport à ce dernier
qui alors avait une charge négative.
Afin d'améliorer les contacts, il accouple les
métaux avec des disques de drap humides, et se référant
probablement au système des bouteilles de Leyde mises
en série, il empile ces couples les uns au-dessus des autres, en «pile».
Dans cette invention, le hasard a eu une grande
part : les observations de Galvani sur l'action de l'étincelle électrique, puis l'action d'un couple métallique;
mais l'expérimentation systématique, appuyée sur un
instrument de mesure, l'électrophore, enfin une
motivation très affirmée, ont permis l'émergence de la
pile de Volta.
Conclusion.
CHRONOLOGIE
600 av. J.-C.
1100
1269
1600
1657
1660
1660
1666
1700
1707
1729
1730
1733
1737
1739
1740
1745
1746
En 1746, un physicien anglais, Watson, écrivait :
«Si on me demande quelle peut être l'utilité des effets
électriques, je ne puis répondre autre chose, sinon que
jusqu'à présent nous ne sommes pas encore avancés
dans nos découvertes au point de les rendre utiles au
— 186 —
1747
1747
1750
Thaïes de Milet : Nature de l'attraction de l'ambre et de l'oxyde de fer.
Première mention de l'aiguille aimantée d'un ouvrage chinois.
P. de Maricourt : Lettre sur la pierre « d'aimant ».
Premier traité sur l'électricité par W. Gilbert
(Angleterre).
Création de l'Académie del Cimento (Florence).
Création de la Royal Society (Londres).
Création de la première machine électrostatique
par Otto de Guericke (Magdebourg).
Création de l'Académie des Sciences (Paris), du
journal des Sciences et des « Philosophical
Transactions ».
Journal de Trévaux (France).
F. Hawkesbee : Machine électrostatique à globe
de verre.
S. Gray : Découverte de la transmission de l'électricité.
Vogue des cabinets de physique.
Du Fay et abbé Nollet : Découverte de l'électricité vitreuse ( + ) résineuse (—).
Création à Gôttingen d'une université d'Enseignement et de Recherche.
Du Fay : étincelles à partir du corps humain.
Premier tome des «Acta litteraria et Scientiaruns Succia» (Académie suédoise fondée en
1710).
B. Franklin : Théorie du fluide unique. Découverte de l'électricité.
Musschenbroek : Bouteille de Leyde. Premier appareil de stockage.
W. Watson : Transmission de l'électricité dans
un câble de 3 km.
Du Fay : Action des décharges électriques dans le
corps humain.
Caldoni : Action d'une décharge électrique sur les
muscles de grenouille.
La salle des Dix mille éléments à la direction générale des télégraphes
1751
1753
1760
1772
1774
1775
1780
1783
1784
1786
1786
1786
1791
1792
1791 - 1797
Premier tome de l'Enq^clopédie de Diderot et
création de Journal de Physique.
Daumas et Franklin : Etude de l'électricité atmosphérique.
Sultzer : Constatation de l'action physiologique
provenant de deux disques métalliques en
contact.
Galvani : Action des corps chimiques sur le nerf
crural de grenouille (théorie de l'influx nerveux).
Lavoisier : «Opuscules chimiques et physiques ».
Volta : invention de l'électrophore.
Galvani : Action d'une décharge électrique sur le
nerf crural de grenouille.
Volta : invention du condensateur et des batteries de condensateurs (en série, en parallèle).
Coulomb : balance de torsion. Loi de l'inverse des
carrés pour des charges et des pôles magnétiques.
Galvani : Action d'une boucle bi-métallique sur
le nerf crural et le muscle de la grenouille.
Galvani : Evoque puis abandonne l'hypothèse
d'une «l'électricité des métaux».
Galvani veut justifier l'hypothèse de « l'électricité animale».
Galvani : Publication de De viribus electricitatis
in motu muscularis Commentarius.
Fabroni: «Théorie» chimique de l'action des
« métaux excitateurs ».
Polémique Volta-Galvani.
1797
1798
1799
Galvani : contraction du muscle par le nerf crural
sans boule métallique. «Triomphe» des galvanistes.
Mort de Galvani.
Volta : Invention de la «pile électro-chimique».
Triomphe des voltaïstes.
Ouvrages consultés.
Histoire de la Science: Maurice Dumas. Collection La Pléiade, 1957.
Histoire des Techniques : Bertrand Gille. Collection La Pléiade, 1978.
Histoire de l'Electricité : E.T. Canby, Editions Rencontre, 1963.
Merveilles de la Science: Tome I, Louis Figuier.
Album de la Science: Jouvet Editeur, 1896.
Marat : Docteur Cabannes.
La Vie Electrique: Tome X 1.9.1983 n°35.
Larousse du XIX^ siècle.
Notes
1. Il est intéressant de noter que la machine d'Otto de Guericke comportait une sphère de soufre obtenue par fusion dans une fiole de verre qui servait
de moule et ensuite était brisée.
2. Il existait à l'Institut polytechnique de Londres une machine électrostatique munie d'un plateau de 2,45 m de diamètre. La rotation du plateau
étant assurée par une machine à vapeur.
3. Première observation de la détection de l'énergie électro-magnétique
artificielle.
4. Cette hypothèse avait été formulée par Galvani dans son cahier de
laboratoire du 20 octobre 1786.
— 187 —