Introduction

L'électricité est tellement présente dans notre vie quotidienne que nous avons souvent tendance à la considérer comme une nécessité d'ordre naturel, au meme titre que l'eau courante. Que les sources de sa production menacent de se tarir et c'est toute la société moderne qui vacille. Pourtant, au regard de l'Histoire,l'utilisation des phénomènes électriques est relativement récente. étudiée dès la fin du XVIe siècle, l'électricité (au sens de l'ensemble des phénomènes électriques observables) est longtemps restée, pour le grand public,un objet de curiosité et d'amusement, avant que les progrès accomplis au cours du siècle dernier ne démontrent son utilité pratique. La prodigieuse pénétration qu'elle a opérée depuis dans toutes les branches de l'activité humaine, notamment par le biais de l'électronique, n'est pas étrangère à l'efficience que nos contemporains attribuent à la science.

Les débuts de l'électricité

L'électricité et le magnétisme sont deux phénomènes physiques connus depuis des milliers d'années. La théorisation et la compréhension du phénomène électrique est relativement récente, au regard de la très longue période d'applications empiriques, qui elle reste très souvent méconnue.
De la Haute Antiquité à la Renaissance
Le terme électricité dérive directement du mot grec êlektron qui désigne l'ambre jaune, une résine fossile possédant des propriétés électrostatiques. De la même manière, le terme électromagnétique fait référence à la pierre de magnésie, un aimant naturel utilisé dès la Haute Antiquité (Magnésie est à l'origine une cité grecque, aujourd'hui située à l'ouest de la Turquie).
Ces deux racines indiquent que les effets de l'électricité et du magnétisme ont été découverts tôt dans l'histoire de l'humanité. La foudre, l'aimantation naturelle, l'électricité statique de la laine, sont autant de phénomènes que les Hommes apprirent à connaître et à utiliser.
Chez les Hellènes, vers 600 av. J.-C., Thalès de Milet se voit attribuer la paternité de la réflexion sur l'électricité, plus précisément sur l'électricité statique et le magnétisme. Toutefois, seuls des textes apocryphes témoignent de son intérêt pour ces phénomènes (c'est Diogène Laërce, au IIIesiècle, qui rapporte les propos d'Hérodote et d'Hypias sur le savant grec). D'après ces textes, Thalès semblait accorder une âme aux choses qu'on croyait inanimées. La triboélectricité était déjà connue, mais ne pouvait être expliquée autrement que par une vision animiste de la matière, ses propriétés physiques étant alors inaccessibles.
L'utilisation du magnétisme en Chine
En Chine, les propriétés magnétiques sont utilisées par les devins à partir des IIe et Ier siècle av. J.-C., pour fabriquer des tables de divinations magiques. De là dérive la première boussole qui indique le nord, elle est perfectionnée après le Ier siècle de notre ère. La boussole sera progressivement utilisée pour la construction et la navigation. De plus, on découvre sous la dynastie Tang (618-907) la discordance entre pôles nord / sud magnétiques et géographiques. Récupérée par les Arabes, la boussole arrive en Occident au XIe siècle, cela relance l'étude du magnétisme.
L'usage de l'électricité produite par des êtres vivants
L'électricité produite par des êtres vivants, en particulier des poissons électriques, est également connue depuis l'Antiquité. On trouve par exemple des bas-reliefs de l'égypte antique représentant des poissons-chats électriques. Par ailleurs, une mosaïque de Pompéi représente une torpille commune. Scribonius Largus, sous le règne de l'empereur Claude Ier (41-54 après J.-C.) décrit un traitement contre la migraine ou contre la goutte qui utilise les décharges électriques produites par une torpille.
Une expérience de Luigi Galvani avec des cuisses de grenouilles mise en contact avec différents métaux, met en évidence un phénomène nouveau qui sera le point de départ de beaucoup de développements de la science moderne, en ce qu'il ouvre l'accès à une utilisation large de l'électricité : sa découverte de l'électricité animale.
Les XVIIe et XVIIIe siècles : un tournant historique
Au XVIe siècle, William Gilbert, médecin de la reine d'Angleterre, donne le nom d'électricité au phénomène.
En 1733, l'intendant Du Fay, examinant l'attraction et la répulsion de corps électrisés par frottement, distingue une électricité positive et une électricité négative (électricité résineuse, électricité vitreuse).
En 1752, Benjamin Franklin démontre que la foudre est un phénomène dù à l'électricité et invente le paratonnerre pour s'en protéger.
En 1785, Charles de Coulomb présente un deuxième mémoire à l'Académie des sciences, dans lequel il expose la loi selon laquelle les corps chargés électriquement interagissent.
L'électricité statique : premières découvertes
Les premières recherches concernant l'électricité, avant l'avènement de l'électromagnétisme, se focaliseront sur les phénomènes électrostatiques. Avec la production d'électricité par des machines à frottement peuvent commencer les premières expérimentations concrètes. Ramsden ou Wimshurst qui fabriquent les premiers générateurs électrostatiques, la découverte des condensateurs, les connaissances concernant les propriétés chimiques, calorifiques et lumineuses du courant électrique se précisent.
XIXe siècle et électromagnétisme
En 1820, Hans Christian orsted découvre la relation entre électricité et magnétisme, dont les lois seront décrites par André-Marie Ampère, Michael Faraday, Jean-Baptiste Biot et Félix Savart, pour être finalement mises en forme par James Clerk Maxwell.
En 1831 Michael Faraday (1791-1867) découvre l'induction électromagnétique : la création d'un courant dans un conducteur à partir d'un champ magnétique.
En 1832 Hippolyte Pixii, constructeur d'instruments de physique à Paris, réalise la première machine électrique à induction comprenant un aimant tournant en face des pôles d'un électroaimant fixe. C'est un générateur de courant alternatif qui permet d'obtenir du courant continu grâce au commutateur de M. Ampère (deux demi-bagues fixées à l'axe permettant l'inversion de la polarité). C'est déjà l'amorce d'un collecteur à lames. Joseph Henry observe l'étincelle se produisant à l'ouverture d'un circuit électrique et nomme ce phénomène extra-courant de rupture. C'est la découverte de l'auto-induction.
En 1833 Heinrich Lenz (1804-1865), physicien russe d'origine allemande, établit la loi qui donne le sens du courant induit.
En 1865 James Clerk Maxwell publie son traité d'électricité et de magnétisme, véritable fondement de l'électromagnétisme moderne. Les fameuses équations de Maxwell sont établies.
En 1885 Galileo Ferraris, ingénieur italien, introduit le principe du champ tournant dans la construction des moteurs électriques.
Les premières machines
En 1799, Alessandro Volta invente la pile électrique en empilant alternativement des disques de métaux différents (cuivre, zinc) séparés par des disques de feutre imbibés d'acide.
Peter Barlow (1776-1862) construit en 1822 ce qui peut être considéré comme le premier moteur électrique de l'histoire : la roue de Barlow qui est un simple disque métallique découpé en étoile et dont les extrémités plongent dans un godet contenant du mercure qui assure l'arrivée du courant.
Le professeur russe Hermann von Jacobi construit en 1834 un moteur d'une puissance d'un cheval-vapeur qui propulsera un bateau à roue à aubes sur la Neva, à Saint-Pétersbourg. L'inducteur et l'induit sont des électroaimants en fer à cheval portés par une couronne mobile et une couronne fixe en regard l'une de l'autre. Le commutateur appelé gyrotrope inverse aux positions convenables l'excitation des électro-aimants mobiles. Mais ce moteur est encombrant et finalement, c'est l'américain Thomas Davenport qui sera le véritable inventeur de ce genre de machine. On doit à Jacobi la notion de force contre-électromotrice.
Charles Grafton Page expérimente un autotransformateur en 1835. La même année, Thomas Davenport, forgeron à Brandon dans le Vermont aux états-Unis, construit un des premiers véhicules électriques. Le moteur électrique était vraisemblablement un moteur du genre piston simple effet de locomotive.
Nicholas Joseph Callan réalise en 1837 le premier transformateur composé d'un primaire et d'un secondaire.
Charles Grafton Page construit en 1838 une bobine d'induction qui peut être considérée comme l'ancêtre de la bobine de Ruhmkorff. Construction d'un moteur électrique semblable au piston simple effet des machines à vapeur, la vapeur étant remplacée par deux électroaimants en U.
1840 voit l'arrivée du moteur électrique de Bourbouze. Les pistons d'une machine à vapeur sont remplacés par des électroaimants excités alternativement grâce à des contacts commandés par un tiroir distributeur.
Gustave Froment (1815-1865) construit la première machine à réluctance variable en 1845. Il s'agit d'un moteur rotatif comportant une couronne d'électro-aimants fixes qui attirent des barres de fer portées par une roue.
Heinrich Ruhmkorff met au point en 1856 la bobine qui porte son nom en se basant sur les travaux de ses prédécesseurs et en fait un instrument scientifique performant qu'il commercialise.
Gaston Planté (1834-1889) invente en 1859 l'accumulateur ou pile réversible. La même année Antonio Pacinotti (1841-1912) met au point une machine électrique constituée d'un anneau d'acier entouré d'un fil de cuivre, l'anneau de Pacinotti. C'est la base du moteur électrique et de la dynamo.
Antonio Pacinotti publie en 1865, dans le n° 19 de la revue Nuovo Cimento, une communication sur un anneau tournant dans un champ magnétique. Cette invention préfigure l'induit des machines électriques dont il envisage l'utilisation aussi bien en génératrices qu'en moteurs. N'ayant pu dépasser le stade expérimental, ses réalisations restent sans suite.
L'Anglais Wilde réalise en 1868 la première machine dynamoélectrique ou dynamo. Il remplace, à la suite des travaux de Werner von Siemens, l'aimant permanent par un électro-aimant alimenté par une machine auxiliaire.
En 1869, l'inventeur belge Zénobe Gramme (1826-1901), né à Jehay-Bodegnée (province de Liège), rend possible la réalisation des génératrices à courant continu en imaginant le collecteur. Il améliore les premières versions archaïques d'alternateurs (1867) et devient célèbre en retrouvant le principe de l'induit en anneau de Pacinotti. En 1871, il présente à l'Académie des sciences de Paris la première génératrice industrielle de courant continu, que l'on appela machine de Gramme et qui était en fait une magnéto.
La diffusion de l'électricité
En 1878, Thomas Alva Edison, inventeur américain, fonde l'Edison Electric Light Co. à New York. L'année suivante, en 1879, il présente sa première lampe électrique à incandescence (avec filaments de carbone) qui reste allumée 45 heures.
Toujours en 1879, une centrale hydraulique de 7 kW est construite à Saint-Moritz. Dans les années 1880 Aristide Bergès promeut le concept de Houille Blanche.
En 1881, la France organise, entre le 1er août et le 15 novembre, une Exposition internationale d'électricité qui consacre la naissance de l'électrotechnique, soulignée par un Congrès international des électriciens qui siège à Paris du 15 septembre au 19 octobre. La grande nouveauté est l'emploi industriel de la dynamo Gramme.
En 1882, Edison inaugure les premières usines électriques (production de tensions continues) construites à Londres (Holborn Viaduct) et New York (Pearl Street : 110 V, 30 kW). Un premier essai de transport d'énergie électrique est réalisé cette même année, par le français Marcel Deprez en Allemagne. D'une longueur de 57 km, cette ligne aérienne utilise un fil télégraphique depuis Miesbach, où est installé une machine à vapeur entrainant une dynamo Gramme. La ligne alimente sous 1 000 V une pompe créant une cascade artificielle à l'exposition de Munich.
Fin août 1883, Marcel Deprez réalise une autre expérience de transport d'électricité entre Vizille et Grenoble sur une distance de 14 km, toujours en courant continu. La halle du centre-ville de Grenoble est ainsi éclairée par la lumière électrique.
En 1883, Lucien Gaulard, jeune électricien français, chimiste de formation, présente à la Société française des électriciens un générateur secondaire, dénommé depuis transformateur. Devant le scepticisme de ses compatriotes, il s'adresse à l'Anglais John Dixon Gibbs et démontre à Londres le bien-fondé de son invention.
En septembre 1884, Lucien Gaulard et John Dixon Gibb se positionnent pour obtenir un prix lors de l'exposition de Turin et contrecarrer les opposants au transport du courant alternatif. Ils mettent en service une liaison bouclée de démonstration (133 Hz) alimentée par du courant alternatif sous 2 000 volts et faisant l'aller-retour de Turin à Lanzo (80 km). On finit alors par admettre l'intérêt du transformateur, qui permet d'élever la tension délivrée par un alternateur et facilite ainsi le transport de l'énergie électrique par des lignes à haute tension. La reconnaissance de Gaulard interviendra trop tardivement car, entre-temps, des brevets ont été pris aussi par d'autres. Le premier brevet de Gaulard en 1882 n'a même pas été délivré en son temps, sous prétexte que l'inventeur prétendait pouvoir faire quelque chose de rien! Gaulard attaque, perd ses procès, il est ruiné et finit ses jours dans un asile d'aliénés. Le transformateur de Gaulard de 1886 n'a pas grand chose à envier aux transformateurs actuels, son circuit magnétique fermé (le prototype de 1884 comportait un circuit magnétique ouvert, d'où un bien médiocre rendement) est constitué d'une multitude de fils de fer annonçant le circuit feuilleté à tôles isolées.
Ainsi, en 1885, les Hongrois Karoly Zipernowsky, Miksa Déry et Otto Titus Blathy mettent au point un transformateur avec un noyau annulaire commercialisé dans le monde entier par la firme Ganz à Budapest. Aux états-Unis d'Amérique, William Stanley développe aussi des transformateurs.
En Galileo Ferraris, ingénieur italien, introduit le principe du champ tournant dans la construction des moteurs électriques.
Production et distribution : le temps des ingénieurs
Les travaux d'un grand nombre de scientifiques entre 1860 et 1890 conduisirent à l'apparition de machines capables de produire de l'énergie électrique en grande quantité, ainsi qu'à la possibilité de la transporter sur de longues distances.
Les conflits internationaux de cette époque expliquent pourquoi il est difficile d'attribuer à telle ou telle personne la paternité d'une invention : des scientifiques comme Nikola Tesla ou Lucien Gaulard dont on est sûr qu'ils ont inventé respectivement les machines à courant alternatif et le transformateur (éléments essentiels de la production et du transport électrique) sont morts dans la misère, dépossédés de leurs brevets par d'autres ingénieurs bien meilleurs financiers.
On peut considérer que l'invention de la machine à courant continu, brevetée par le Belge Zénobe Gramme doit beaucoup aux travaux de l'italien Antonio Pacinotti et de l'Allemand Ernst Werner von Siemens. Améliorée et commercialisée aux états-Unis par Thomas Edison, son emploi fut défendu en Europe par de nombreux ingénieurs (dont Marcel Deprez) et des financiers qui y avaient intérêt. Face aux tenants de la production et du transport en courant alternatif, ce lobby puissant fit son possible pour imposer le courant continu. Edison, par exemple, en déconseillait formellement l'usage en ville en raison d'un risque d'électrocution par induction pour les utilisateurs du téléphone.
C'est Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs qui, en 1883, réussissent les premiers à transporter de l'énergie électrique sur une distance de 40 km grâce à un courant alternatif généré sous une tension de 2 000 volts. Le transformateur, inventé par Gaulard, permet d'augmenter fortement la tension au détriment de l'intensité du courant et donc de diminuer énormément les pertes par effet Joule lors du transport sur de grandes distances.
En 1886 George Westinghouse, inventeur et industriel américain né à Central Bridge (état de New York), s'intéresse à l'électricité industrielle et fonde la Westinghouse Electric Corporation. Après avoir obtenu en 1887 un brevet pour un transformateur, il réalise à Buffalo un premier réseau à courant alternatif pour l'éclairage. Aux états-Unis, il obtient face à Edison le contrat d'installation de toute l'infrastructure électrique. C'est ainsi que dans le monde entier s'impose le courant alternatif pour la distribution de l'électricité. Cette invention va permettre de distribuer l'énergie dans tout le territoire des pays développés et provoquer une seconde révolution industrielle. Aujourd'hui son groupe est devenu le numéro deux américain du secteur de la production de matériel électrique et électronique, derrière General Electric.
En 1886, la ville lumière de Bourganeuf en Creuse est la première en France, voire en Europe, à inaugurer un éclairage électrique de l'ensemble des rues de la localité avec un site de production éloigné des lieux de consommation.
En 1887 Nikola Tesla, ingénieur en électronique yougoslave né à Smiljan, en Croatie, fonde une société pour la construction des alternateurs. Grâce à ses travaux, le courant alternatif va gagner la bataille du transport à distance et de l'utilisation du courant alternatif. Tesla préconise d'abord l'utilisation des courants polyphasés (1882) et réussit à créer un champ magnétique tournant qui permet d'entraîner en rotation une armature mobile tournante. En 1891, la première expérience pour le transport d'énergie à grande échelle est faite en Allemagne. C'est la réalisation d'une ligne longue de 175 kilomètres entre Lauffen-sur-le-Neckar et Francfort-sur-le-Main. Et le rendement atteint est déjà de 75%! Il imagine en 1890 le premier montage produisant un courant à haute fréquence. Tesla poursuit des travaux de recherches. On lui doit le fameux montage Tesla dans le domaine de la radioélectricité mais cela n'empêche pas, malgré d'autres inventions, qu'il ne finisse lui aussi ses jours dans la misère. On a donné son nom à l'unité d'induction magnétique dans le système SI, le tesla (symbole T).
L'examen de l'état de l'art tel que publié dans le Dictionnaire de l'électricité de R. Lefèvre (1895) montre la très grande créativité de cette époque concernant les usages de l'électricité, avec nombre d'applications aujourd'hui disparues comme :
Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski, électricien russe, invente en 1889 le premier moteur asynchrone à courant triphasé à cage d'écureuil (construit industriellement à partir de 1891). En fait le moteur asynchrone était dans l'air. Cette même année voit la mise en service de la première ligne de transport en courant alternatif aux états-Unis : Oregon city - Portland. D'une longueur de 21 km, elle alimente sous 4 kV.

L'étape suivante consista à caractériser la force électrique exercée par un porteur de charge sur un autre. Les physiciens n'eurent pas à aller chercher bien loin : ils s'inspirèrent de la loi de GRAVITATION de Newton énoncée un siècle auparavant. Ils proposèrent ainsi une force proportionnelle à la charge électrique de chacun des porteurs en interaction, et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Cette loi fut vérifiée expérimentalement en 1785 par le Français Charles Augustin de Coulomb (l'unité internationale de charge électrique porte son nom). Les dernières briques de la théorie des interactions entre charges électriques immobiles furent posées dans les années qui suivirent. Compte tenu de la forte similitude entre la loi de Coulomb et la loi de gravitation, le formalisme et les concepts de la MéCANIQUE furent transportés dans le domaine de l'électrostatique.C'est à cette occasion que la notion de POTENTIEL,introduite en 1772 par Joseph Louis de Lagrange pour la gravitation, fut reprise, en 1784, par Pierre Simon de Laplace pour décrire l'état électrique engendré en un point quelconque de l'espace par un ensemble de charges électriques.

C'est au moment où la théorie électrostatique parvenait à maturité qu'une onde de choc vint l'ébranler. La révolution venait de là où on l'attendait le moins : des travaux d'un anatomiste italien, Luigi Galvani, sur les muscles de cuisses de grenouilles disséquées. En 1791, il découvrit que ces muscles manifestaient de curieuses propriétés électriques dès qu'on les mettait en contact avec deux métaux de natures différentes. Pour interpréter ces phénomènes, il fit un rapprochement avec un dispositif mis au point quelques années auparavant par l'Allemand Ewald Georg von Kleist : la bouteille de Leyde. Il s'agissait d'une simple bouteille dont la paroi interne était recouverte d'une feuille métallique préalablement chargée électriquement, qui se déchargeait brusquement dès qu'on la mettait en contact avec un conducteur (elle constitue à ce titre le premier condensateur électrique). Pour Galvani,la grenouille constituait une bouteille de Leyde naturelle,que le contact avec deux métaux conducteurs suffisait à décharger de sa mystérieuse électricité animale. Sceptique, le physicien italien Alessandro Volta reprit les expériences de son compatriote et montra que la grenouille ne jouait qu'un rôle secondaire : l'effet électrique résultait en fait de la mise en contact de deux métaux de nature différente par l'intermédiaire d'un tissu humide. S'inspirant de cette conclusion,il mit au point en 1800 la première pile électrique, constituée d'un empilement (d'où son nom) de disques de cuivre et de zinc, entre lesquels s'intercalaient des tissus imbibés d'acide.
Cette invention révolutionna l'électricité : contrairement aux machines électrostatiques qu'on devait charger par frottement et qui se déchargeaient en un temps très bref,la pile de Volta produisait spontanément, par réaction chimique, une sorte de décharge continue que le physicien français André Marie Ampère baptisa en 1820 courant électrique. Un courant électrique n'est rien d'autre qu'un déplacement global de charges au sein d'un conducteur. En hommage à Ampère, l'unité internationale de l'intensité du courant électrique, c'est-à-dire de la quantité de charges qui traverse une section de conducteur par unité de temps, porte le nom d'ampère.En hommage à Volta, la tension, c'est-à-dire la grandeur qu'il introduisit pour mesurer la capacité d'une pile à produire un courant, s'exprime en volts. Grace à cet allongement considérable du temps de décharge (accru par la réalisation de piles de plus en plus performantes), il devint possible d'observer les effets d'un long passage de courant dans une multitude de corps. On ne tarda pas à s'apercevoir qu'en plongeant dans l'eau, ou plus généralement dans une solution aqueuse, deux tiges solides reliées aux bornes d'une pile (deux électrodes, suivant la terminologie introduite par Michael Faraday quelques années plus tard), on provoquait la décomposition de la solution en ses constituants élémentaires, c'est-à-dire l'électrolyse. Cette technique permit au chimiste anglais Humphry Davy de découvrir, au début du XIXe siècle, une multitude d'éléments jusque-là inconnus : le sodium, le potassium, le calcium, le magnésium, le baryum et le strontium. En substituant à la solution aqueuse un gaz enfermé dans une enceinte en verre, on réalisa les premières décharges électriques durables, qui allaient servir de base aux premiers dispositifs d'éclairage urbain dans la seconde moitié du XIXe siècle. Enfin, en 1841, l'Anglais James Prescott Joule observa que le passage d'un courant électrique dans un conducteur métallique provoquait un dégagement de chaleur. C'est l'effet joule,vital pour les fers à repasser.

Les effets magnétiques de l'électricité

Une seconde révolution prit naissance, dans le nord de l'Europe cette fois. En 1820, un professeur de physique de l'université de Copenhague, Hans Christian OErsted, observa qu'un fil conducteur parcouru par un courant électrique déviait une aiguille aimantée placée à proximité. Cette expérience, en meme temps qu'elle révélait pour la première fois l'existence d'effets magnétiques de l'électricité, inaugura l'étude des interactions entre aimants et fils parcourus par des courants. Cette étude eut des implications théoriques considérables.Grace aux travaux d'Ampère, elle aboutit à l'assimilation d'un AIMANT à une bobine de fil conducteur et à la réduction de tout phénomène magnétique à une interaction entre fils conducteurs.Elle montra aussi qu'un aimant pouvait déplacer un fil conducteur parcouru par un courant. Tirant parti de cet effet pour faire tourner un circuit électrique, Michael Faraday réalisa, dès 1821, ce qui peut etre considéré comme l'ancetre du moteur électrique. Il n'en resta pas là. Obsédé par l'idée de mettre en évidence l'effet réciproque de celui observé par Oersted, c'est-à-dire la possibilité d'engendrer un courant électrique grace au magnétisme, il parvint à montrer,en 1831, qu'un courant électrique apparaît spontanément au sein d'un circuit lorsqu'on déplace un aimant à son voisinage (ou, ce qui revient au meme, lorsque le champ magnétique environnant varie au cours du temps). Ce phénomène, appelé induction électromagnétique, lui permit à la fois de réaliser le premier générateur, c'est-à-dire la première source de courant ne fonctionnant pas à partir d'une réaction chimique mais provenant d'un mouvement mécanique et de concevoir le premier transformateur, capable d'accroître ou de diminuer une tension électrique. Ces trois éléments, le moteur, le générateur et le transformateur, allaient devenir les trois piliers de l'industrie électrique.

Lois des circuits

La seconde moitié du XIX e siècle fut marquée par un double mouvement : pendant que l'électricité industrielle et ses applications se développaient de façon spectaculaire, les physiciens s'attachèrent à unifier l'ensemble des phénomènes observés par leurs prédécesseurs. Dans ce dernier domaine, une première étape décisive fut franchie en 1848 par l'Allemand Gustav Kirchhoff, qui démontra que les phénomènes associés aux courants électriques, qui constituent ce que l'on appelle aujourd'hui l'électrocinétique, étaient de meme nature que les phénomènes électrostatiques (à cette occasion, la tension électrique, grandeur initialement purement électrocinétique, fut identifiée à la différence de potentiel électrostatique).Ce faisant, il donna à l'électrocinétique la forme qu'elle a aujourd'hui et qui sert de base à l'étude des circuits électriques. Il laissa son nom à deux lois fondamentales. La première, aussi appelée loi des nOeuds, dit que toute l'intensité qui arrive en un noeud, c'est-à-dire en un point de bifurcation d'un circuit électrique, est égale à toute celle qui en part. La deuxième loi, ou loi des mailles, indique que dans une maille, c'est-à-dire une branche de circuit fermée, la somme des tensions aux bornes des différents éléments de la maille est globalement nulle. Ces lois, lorsqu'elles sont liées à une bonne connaissance des éléments qui constituent le circuit, permettent d'accéder aux caractéristiques de celui-ci (intensités parcourant ses différentes branches, tensions aux bornes de chaque élément).

L'unification de l'électricité et du magnétisme

L'expérience d'Oersted avait mis en évidence l'existence de liens entre électricité et magnétisme. Les deux domaines furent unifiés par l'écossais James Clerk Maxwell en 1864, donnant naissance à l'éléctromagnétise.La principale conséquence de cette nouvelle théorie fut, du point de vue de l'électricité,l'identification de la vitesse de propagation des phénomènes électriques, qu'on avait jusqu'alors vainement tenté de mesurer, avec celle de la lumière. Il ne s'agissait d'ailleurs pas réellement d'un résultat nouveau, car Kirchhoff était déjà parvenu, par une voie purement électrocinétique, à une telle conclusion sept ans auparavant, dans le cas particulier de l'étude de la propagation de signaux électriques le long d'un fil télégraphique(l'équation à laquelle il aboutit est connue sous le nom d'équation des télégraphistes).

L'électricité industrielle

La seconde moitié du XIXe siècle fut marquée par un développement spectaculaire de l'électricité industrielle, ou électrotechnique.La pile de Volta fut bientôt supplantée par des piles plus performantes, comme la pile Daniell (1836), la pile Bunsen (1841) ou la pile Leclanché (1864). En 1859, Gaston Planté mit au point la première pile rechargeable, ou accumulateur. Les générateurs connurent un essor analogue : l'invention de la dynamo dans les années 1870 par Zénobe Gramme préfigura l'apparition des premiers générateurs de courants alternatifs, ou alternateurs, notamment grace aux travaux de l'ingénieur croate Nikola Tesla (qui laissa son nom à l'unité internationale du champ magnétique). Ces dispositifs,entraînés par les turbines immenses des centrales électriques (qu'elles soient thermiques, hydroélectriques ou nucléaires) constituent l'élément central de la production d'énergie électrique.Le développement des générateurs accompagna assez naturellement celui des dispositifs inverses, à savoir les moteurs électriques. Ces progrès contribuèrent au développement des applications de l'électricité tout au long du siècle dernier.
Dès 1839 apparaissait en Angleterre le premier instrument de télécommunication fonctionnant à l'aide de signaux électriques transmis le long d'un fil, le télégraphe,mis au point par les ingénieurs William Cooke et Charles Wheatstone. En 1876, des signaux électriques furent pour la première fois utilisés par l'Américain Graham Bell pour transporter à distance la voix humaine:le téléphone était né. Bientôt, ce fut au tour des moyens de transport d'etre électrisés:le premier tramway électrique des ingénieurs allemands Werner von Siemens et Johann Halske date de 1879 le premier train électrique, inventé par Thomas Edison, date de 1880. Grace au développement des transformateurs électriques dans les années 1880 et aux hautes tensions que ces dispositifs permettaient d'obtenir,il devint possible d'étendre la distance de transport de l'électricité depuis son lieu de production jusqu'au cOeur des cités (les pertes électriques causées par l'effet Joule le long d'une ligne sont d'autant plus faibles que la tension de la ligne est élevée).La manifestation la plus frappante de cette pénétration fut certainement l'essor de l'éclairage urbain, permis par la mise au point récente par Edison d'un nouveau type de lampe, la lampe à incandescence (reposant sur l'émission d'un intense rayonnement visible par un fil de matériau réfractaire amené à haute température par effet Joule).

Les porteurs de l'électricité

L'évolution rapide de l'électrotechnique au XIXe siècle prouve qu'il n'était point besoin de connaître la nature des porteurs de charge électrique pour utiliser leurs propriétés. Celle-ci ne fut élucidée qu'à la fin du XIXe siècle et au début du XXe siècle grace à la découverte de l'électron et de la structure atomique de la matière. De ces découvertes,il ressortit que les phénomènes électriques ne résultaient pas d'un mystérieux fluide électrique indépendant de la matière, qu'on avait vainement tenté de caractériser des siècles durant, mais de la structure meme de la matière, intrinsèquement électrique puisque deux des trois constituants élémentaires de l'atome (l'électron et le proton) sont porteurs d'une charge électrique.Bien plus, il s'avéra que ce caractère électrique explique aussi bien la cohésion de l'atome, celle de la molécule et celle du SOLIDE. Quant au courant électrique, sa nature dépend avant tout de l'état physique considéré. Dans un solide métallique, il résulte uniquement du déplacement des électrons les moins liés à la structure cristalline, ou électrons de conduction. Une zone d'un solide ne peut donc apparaître chargée positivement que par déficit d'électrons. Dans un liquide, le courant électrique est assuré grace à la présence préalable et au déplacement d'IONS (c'est-à-dire d'atomes qui ont perdu ou gagné des électrons) au sein du fluide, les ions chargés positivement (ou cations) se déplaçant en sens inverse des ions chargés négativement (ou anions). Dans un gaz, enfin, où toutes les particules, qu'il s'agisse d'atomes ou de molécules, sont initialement neutres, les choses se passent en deux temps : l'application d'une tension électrique entre deux électrodes provoque l'ionisation partielle du gaz, autrement dit la scission des particules en ions positifs et électrons. C'est le mouvement consécutif des particules chargées vers les électrodes qui constitue alors le courant électrique.

Historique

Un réseau électrique étant composé de machines de production et de consommation, ainsi que de structures (lignes, transformateurs) pour les relier, les réseaux électriques ne sont apparus que vers la fin XIXesiècle, lorsque chaque élément avait atteint une maturité technologique suffisante.
Les premiers réseaux acourant continu

Edison à été un pionnier dans la réalisation des premiers réseaux électriques en courant continu.
Lors de la première moitié du XIXe siècle, les inventeurs mettent au point de nombreux types de moteurs électriques acourant continu, mais leur utilisation de manière industrielle ne serà permise qu'après l'invention de la dynamo (génératrice de courant continu) par Zénobe Gramme en 1869, qui serà rapidement améliorée. à l'Exposition internationale d'électricité de Paris de 1881, Marcel Deprez présente pour la première fois une installation de distribution d'énergie électrique alimentée par 2 dynamos. a l'automne 1882, les premiers réseaux électriques apparaissent simultanément à new York et Bellegarde, en France. Ils sont très locaux et utilisent le courant continu.
Thomas Edison à joué un rôle déterminant dans le développement de l'électricité : il fonde en 1878 l'Edison Electric light Co qui deviendrà en 1892 General Electric, dépose le brevet de l'ampoule électrique en 1879, puis crée le réseau électrique de New York. Ce dernier,qui avait essentiellement pour but l'éclairage, se développe rapidement : d'une puissance de 1200 ampoules en 1882, il passe à 10000 ampoules l'année suivante.
Ce réseau, qui souffre de nombreuses pannes, est constitué de petites centrales électriques (30 kW) et d'un réseau de distribution à 110 V. Il est cependant très limité car l'acheminement de l'électricité n'est possible que sur quelques kilomètres.
Les premières expérimentations de transport de l'énergie électrique se développent et sont menées notamment par Marcel Deprez, qui utilise du courant continu. Ce sont cependant des échecs relatifs car elles ne permettent pas le transport de puissances industrielles (Deprez réussi en 1882 à transporter 400 W sur 57 km de distance, mais avec un rendement global de seulement 30%. Les ingénieurs Lucien Gaulard et John Gibbs travaillent quant à eux sur le courant alternatif. Bien que le transformateur soit connu depuis 1837, ils mettent au point en 1884 un transformateur de forte puissance utilisant du courant alternatif triphasé, ce qui permet de changer facilement le niveau de tension. la même année ils démontrent l'intérêt du transformateur en mettant en service une ligne de 80 km de long alimenté en courant alternatif sous 2 000 V.
La victoire du courant alternatif triphasé

Tesla, un inventeur qui à conçu les premiers réseaux électriques en courant alternatif.
George Westinghouse, ingénieur et entrepreneur américain qui à créé sa propre compagnie d'électricité, est intéressé par la technologie du courant alternatif. En 1887, il achète les brevets du transformateur de Gaulard et embauche Nikola Tesla qui invente l'alternateur triphasé en 1891. Cette même année la première installation triphasée est mise en place aux environs de Francfort, avec une ligne de 175 km.
Aux états-Unis les réseaux en courant continu poursuivent leur développement, mais sont limités en taille : chaque centrale ne peut alimenter en électricité qu'une zone d'environ 5 km de diamètre, ce qui pose problème en dehors des villes. En parallèle se constituent de petits réseaux urbains en courant alternatif. Une opposition sévère fait rage à cette époque aux états-Unis entre Edison (défenseur du courant continu) et George Westinghouse avec Tesla (défenseur du courant alternatif). Edison insiste notamment sur le risque du courant alternatif en haute tension pour les êtres vivants, allant jusqu'à organiser des démonstrations publiques où il électrocute différents animaux, pour prouver la dangerosité du courant alternatif et va jusqu'à financer la macabre invention de la chaise électrique. après l'exécution de William Kemmler, Edison dira : Il à été Westinghouse.
La bataille décisive entre courant continu et alternatif se déroule autour d'un projet d'alimentation électrique de l'industrie de Buffalo par une centrale hydraulique de 75 MW située à Niagarà Falls, à 32 km de distance. Edison proposait un projet en courant continu tandis que Tesla et Westinghouse proposaient un système en courant alternatif. Le contrat fut donné à Westinghouse. En 1896, la mise en service de la première ligne industrielle en triphasé fut un succès total et conduit pour un siècle au moins à imposer universellement le courant alternatif triphasé comme moyen de transport de l'énergie électrique, mieux adapté à cette époque au transport sur de longues distances.

Bouteille de Leyde


La bouteille de Leyde est l'ancêtre du condensateur. Elle fut réalisée la première fois en 1745 dans la ville de Leyde aux Pays-Bas par Pieter van Musschenbroek.
La première application de ce condensateur était de donner des commotions au public dans les foires. Par exemple, à Versailles, on présenta au roi Louis XV l'expérience de la décharge d'une grosse bouteille de Leyde à travers le circuit formé de plus de deux cents courtisans.
La bouteille de Leyde est un condensateur formé de deux conducteurs séparés par le verre de la bouteille. Le premier conducteur est généralement constitué d'une électrode supérieure, reliée par une petite chaîne à des feuilles en étain chiffonnées contenues dans la bouteille. Le second conducteur est formé par une feuille métallique enveloppant la bouteille. Les faces intérieures et extérieures stockent une charge électrique égale mais de signe opposé.
La bouteille originale était constituée d'une bouteille en verre recouverte d'une feuille de métal et contenant accidentellement de l'eau impure agissant comme un conducteur, reliée par une chaine à une sphère métallique. L'hypothèse initiale était que l'électricité était stockée dans l'eau. On a découvert ensuite que les charges s'accumulent sur les surfaces en vis-à-vis, séparées par le verre, formant un diélectrique et que le liquide pouvait être remplacé par des feuilles métalliques reliées à l'électrode par une tige conductrice. Les charges sont stockées à la surface des éléments, à la frontière avec le diélectrique. Plus le diélectrique est fin et donc plus l'espace entre les plaques est mince, plus la charge cumulable à une tension donnée est importante.
Le développement des condensateurs a révélé que les matériaux du diélectrique ne sont pas critiques mais pouvaient influer sur la capacité électrique et limiter les arcs électriques entre les plaques, tension de claquage. Deux plaques séparées par un faible intervalle agissent comme un condensateur, même dans le vide.
Initialement, l'unité de mesure de la capacité était la bouteille, à peu près équivalente à 1 nF.
Les Grecs de l'Antiquité employaient des boules d'ambre qu'ils frottaient pour produire des étincelles. C'est l'effet triboélectrique, séparation mécanique de charge dans un diélectrique. Leur travail a été nécessaire au développement de la bouteille de Leyde.
Vers 1650, Otto von Guericke construisit un générateur primitif à friction : une boule de soufre tournant à grande vitesse sur un axe. Quand Guericke a posé sa main sur la boule et a tourné l'axe rapidement, une charge d'électricité statique s'est accumulée. En 1745, un autre Allemand, Ewald von Kleist, a trouvé une méthode pour stocker cette charge. Il a enroulé une feuille d'argent autour d'une bouteille en verre, et a chargé la feuille à l'aide d'un générateur à friction. Kleist se convainquit qu'une charge substantielle pourrait être accumulée lorsqu'il reçut un choc électrique significatif. Cette invention est restée sous le nom de bouteille de Leyde parce qu'en 1746, Pieter van Musschenbroek, professeur de l'université de Leyde, fit indépendamment la même découverte et la fit connaître au monde scientifique. Musschenbroek décrit ainsi son expérience dans une lettre du 20 avril 1746, adressée à Réaumur.

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