On a toujours soupçonné une parenté entre l'électricité et le magnétisme, au point, parfois, de ne pas savoir faire de distinction nette entre les deux groupes de phénomènes, pourtant bien distincts.

L'antiquité grecque connaissait les attractions de corps légers par certains corps frottés.
Thalès de Milet rapporte le phénomène. Le mot électricité vient d'ailleurs du mot grec elektron qui signifie ambre, cette résine fossile étant particulièrement apte à cette propriété.

Les anciens Grecs connaissaient aussi la pierre d'aimant qui avait la propriété d'attirer le fer. Ce minerai de fer se trouvait particulièrement près de la ville de Magnésie (Asie mineure), d'où le nom de magnétisme donné à ces phénomènes.
Les Chinois connaissaient aussi ce minéral et ce sont eux qui, vers l'an 1000, observèrent qu'un aimant placé sur un flotteur prenait toujours la même direction. Ainsi fut inventée la boussole qui, par le canal des Arabes, parvint plus tard en Europe.

Alors que l'électricité resta longtemps sans application pratique, le magnétisme eut, dès la fin du Moyen Age, une application de la plus haute importance : la boussole facilita considérablement la navigation hauturière et joua un rôle très important dans les grandes aventures maritimes et l'exploration de notre planète.

La première étude sérieuse sur le magnétisme fut publiée en 1600 par William Gilbert (1544 - 1603) médecin entre autres de la Reine d'Angleterre Elisabeth 1ère. Dans son ouvrage, il montre, notamment au moyen d'un modèle réduit, que la Terre se comporte comme un aimant. Il étudie aussi le magnétisme induit.

Cet homme éminent, un de ceux qui fondèrent la science rationelle, s'interessa aussi aux phénomènes électriques, qu'il fut un des premiers, sinon le premier, à bien distinguer des phénomènes magnétiques. Il classa les corps en électrisables et non-électrisables.

Mais il s'intéressa davantage au magnétisme et ceci pour au moins deux raisons : d'abord le magnétisme avait une application pratique de la plus haute importance, surtout pour une nation insulaire et navigatrice. Et puis on disposait d'aimants permanents, soit de pierres d'aimant naturelles, soit de morceaux d'acier ayant été en contact avec la pierre d'aimant. On pouvait donc expérimenter à loisir, alors que l'électricité en était restée à Thalès de Milet. Les phénomènes électriques étaient fugaces et d'une étude moins commode. Il faudra attendre 1671 pour qu'Otto de Guéricke, bourgmestre de Magdebourg, invente le premier embryon d'une machine électrostatique.

Les nombreux modèles de machines électrostatiques imaginés par la suite fournirent de l'électricité sous haute tension, engendrant des effets spectaculaires, mais le courant produit était très faible. La décharge brutale de condensateurs (batteries de bouteilles de Leyde) chargés à des tensions élevées permettait bien d'obtenir des courants très intenses, capables de volatiliser un fil ou une fine feuille métallique, mais cette décharge était très brève.

Si bien qu'on ne s'intéressa au courant électrique qu'après que le baron Alessandro Volta eut inventé en 1800 la pile permettant d'obtenir des courants notables, sous basse tension, mais permanents cette fois ( du moins lorsqu'on eut abandonné la forme initiale d'empilement de disques de cuivre et de zinc séparés par des rondelles de tissu imbibé d'eau acidulée, forme initiale qui a donné le nom de pile que la langue française a bizarrement conservé ). Les formes ultérieures permirent de munir la pile de systèmes de dépolarisation assurant une certaine constance du courant.

Je viens d'employer à plusieurs reprises le mot courant, mais il faut avoir à l'esprit que cette notion qui nous est si familière ne l'était pas du tout à l'époque. On en aura la preuve par les termes employés par Oersted pour relater ses observations.

On se mit à faire des expériences diverses avec ce courant électrique. La plus féconde fut l'expérience d'Oersted.

Je me rappelle qu'il y a quelques années, montrant à des amis ( ce qui est très facile ) cette expérience fondamentale, j'avais chanté la louange des esprits géniaux capables de lancer des passerelles entre des domaines distincts de la science, tels Newton unissant les mouvements des corps célestes et la chute de la pomme.

Selon l'auteur des articles du site dans lequel j'ai trouvé les renseignements donnés plus haut sur Gilbert ( Site De Magnete ), le hasard aurait été à l'origine des manipulations qui ont conduit Oersted à sa fameuse expérience. Ce qui ramène notre savant danois, prénommé Hans Christian ( 1777 - 1851 ) au rang d'excellent observateur doué d'une grande "vision latérale", ce qui n'est, ma foi, pas si mal !

Toujours est-il qu'en 1819 Oersted observa, à son domicile, que si l'on réunissait aux bornes d'une pile un conducteur passant au-dessus ( ou au-dessous ) d'une aiguille aimantée mobile sur un pivot (boussole) l'aiguille était déviée tant que la connexion était établie. ( voir Expérience d'Oersted ).

Oersted, après un délai de réflexion, finit par publier ses observations.

J'emprunte le passage suivant à la biographie d'Oersted dans l'excellent site de Pierre Dessapt "Raconte-moi la Radio" :

[......En juillet 1820, il publie un mémoire en latin, dans lequel il présente le résultat de ses découvertes : Experimenta circa effectum Conflictus Electrici in Acum Magneticam (expériences sur l'effet du conflit électrique sur une aiguille aimantée)

La conclusion de son mémoire sera pour la science d'une importance capitale et elle peut être considéré aujourd'hui comme un élément majeur de l'évolution de l'électromagnétisme et de l'électrotechnique.

Voici une traduction de ce texte capital :

" .... Il est suffisamment évident, d'après les faits précédents, que le conflit* électrique n'est pas enfermé dans le conducteur lui-même, mais est dispersé dans son environnement proche.

Il est aussi évident que les forces de ce conflit électrique sont circulaires car en l'absence d'une telle hypothèse, il paraîtrait impossible que le conflit puisse faire tourner l'aiguille aimantée vers l'Est quand elle est placée en dessous du fil et vers l'Ouest quand elle est placée dessus. ..."

* le mot "courant" n'est pas encore employé ici. Il sera inventé par Ampère un peu plus tard.

L'annonce de cette découverte va avoir rapidement un retentissement important parmi la communauté scientifique internationale.

Elle va aussi déstabiliser les visions mécaniques purement newtoniennes qui considèrent qu'une force s'applique uniquement le long d'une ligne droite entre 2 points.

Rapidement la nouvelle fait le tour du monde. Elle arrive à Paris via Genève à l'été 1820 et va transformer le cours de l'histoire. Elle suscite les travaux d'Ampère, d'Arago, de Biot & Savart, de Ploggendorff, et de Faraday et l'invention dès 1820 des premiers appareils de mesure du courant.....]

La remarque d'Oersted sur la distribution circulaire des actions du "conflit électrique" est très pertinente.

Nous éprouvons un étonnement admiratif devant la vitesse avec laquelle, alors qu'on ne disposait encore d'aucun moyen de communication rapide, ni pour les personnes ni pour l'information, s'est propagée dans le monde savant la nouvelle de cette découverte.

Dès 1820, André Marie Ampère ( 1775 - 1836 ) alerté par Arago qui assistait à la réunion de Genève communique à l'Académie des Sciences un mémoire dans lequel il donne les lois fondamentales des actions des courants sur les aimants et, par extension, des courants entre eux. La notion de champ magnétique associé au courant électrique s'impose.

S'en suivront trés vite l'invention des solénoïdes permettant des effets magnétiques importants par addition des effets individuels de chaque spire, puis celle des électro-aimants renforçant ces effets par introduction d'un noyau de fer.

En Angleterre, Faraday ( 1791 - 1867 ), sans doute mal informé, n'a pas trop confiance dans les observations d'Oersted ; aussi reprnd-il ses expériences et progresse-t-il rapidement. Dès 1821, il obtient des rotations continues. En 1822, Barlow fait tourner la roue qui le fera passer à la postérité. ( La rotation de cette roue me pose une question que je développe dans un appendice : Roue de Barlow ).
Nous retrouverons Faraday un peu plus tard.

Avant de poursuivre l'historique de l'électromagnétisme, il me paraît utile de tirer quelques conclusions pratiques de l'expéreience d'Oersted et des formulations d'Ampère.

Quelques règles élémentaires

Sens de la déviation

Si nous répétons l'expérience d'Oersted, nous constatons que la déviation s'inverse si nous permutons les pôles de la pile. Ampère remplace le terme conflit par celui de courant. Et il faut attribuer une direction à ce courant.
Longtemps auparavant, on avait distingué deux sortes d'électicité : l'électricité vitrée et l'électricité résineuse, le verre et la résine se chargeant de manière opposée par frottement sur un chiffon de laine. Benjamin Franklin proposa que l'on nomme positive l'électricité vitrée et négative l'électricité résineuse.
Grâce à des dispositifs astucieux (électroscope condensateur par exemple) on parvint à comparer l'électricité basse tension des piles à celle à haute tension objet des études de l'électrostatique ; c'est ainsi que l'on attribua aux piles un pôle positif et un pôle négatif.
Et tout naturellement on définit que le courant électrique va du pôle positif au pôle négatif.

Cette convention est toujours en vigueur.

Nous savons maintenant que, dans les métaux, le courant électrique est véhiculé par des électrons (chargés négativement) qui vont du pôle négatif au pôle positif. Mais toutes les lois du courant ont été établies avant la découverte de l'électron et on n'a pas jugé bon de tout renverser ; d'ailleurs dans les électrolytes et les semi-conducteurs la situation est plus complexe ( voir Courant électrique, électrons, ions, "trous" ).

Par ailleurs, on avait nommé depuis longtemps pôle Nord le pôle de l'aiguille aimantée se dirigeant vers le Nord géographique et naturellement pôle Sud le pôle opposé, ce qui implique que le magnétisme terrestre est Sud du côté Nord géographique et Nord du côté de l'antarctique, les pôles de nom contraires s'attirant en magnétisme comme en électricité.
( C'est la polarité actuelle, les pôles s'étant inversés plusieurs fois au cours des âges géologiques. )

Ces conventions étant établies, repérer le sens de la déviation revient à définir l'orientation d'un trièdre trirectangle. Plusieurs règles ont été énoncées, toutes équivalentes bien entendu ; ma préférée est celle du bonhomme d'Ampère :

Imaginons un petit bonhomme allongé le long du courant, celui-ci lui entrant par les pieds et sortant par la tête, ce bonhomme regardant l'aimant verra le pôle Nord dévié vers sa gauche.

Oersted a constaté que si l'on place l'aiguille au-dessus du courant, le sens de la déviation est inverse de celui observé avec l'aiguille en-dessous : c'est cohérent, le bonhomme a dû se retourner pour toujours regarder l'aiguille.

Si maitenant le même courant passe d'bord au-dessus de l'aiguille puis, formant une boucle, repasse en-dessous de l'aiguille, la déviation est toujours du même sens ( deux négations....), ce qui est encore cohérent avec la règle d'Ampère : le bonhomme "enfilé" sur le courant et regardant l'aiguille indique toujours avec sa gauche la même direction de l'espace.

Si le courant fait plusieurs tours autour de l'aiguille, les actions de chaque tour sont du même sens et la déviation augmente.

Amplitude de la déviation.

La déviation augmente, mais de moins en moins vite et pour un courant infini ou un nombre infini de spires elle ne peut dépasser la pependiculaire.

Penchons-nous un instant sur le mécanisme de la déviation de l'aiguille.
Le champ magnétique terrestre exerce sur l'aiguille une force tendant à l'orienter selon le méridien magnétique du lieu.
Le conducteur ou la boucle sont disposés dans le plan vertical contenant ce méridien et le pivot de l'aiguille ; un courant parcourant le conducteur ou la boucle engendre un champ magnétique perpendiculaire au champ mageétique terrestre ; ces deux champs se composent et l'aiguille s'oriente suivant le champ résultant.
L'angle de ce champ résultant par rapport au champ terrestre ne dépend que du rapport des deux champs ; sa tangente est égale à ce rapport ; or la tangente tend vers l'infini quand l'angle tend vers 90°. Cette Boussole des tangentes fut un des premiers appareils permettant de mesurer le courant électrique.

Si nous négligeons le frottement du pivot, nous voyons que l'intensité d'aimantation de l'aiguille n'intervient pas, le couple de rappel étant assuré par le champ terrestre ; seul compte en théorie le rapport des deux champs. Il n'en sera pas de même dans les dispositifs recourant à d'autres moyens pour créer le couple de rappel (pesanteur, fil de torsion, ressort spiral,etc...).

Mesure du courant. Galvanomètres

On dispose enfin d'un moyen rapide pour repérer la grandeur d'un courant électrique.
Auparavant, on n'avait que l'échauffement des conducteurs ou les masses de métaux déposés ou les volumes gazeux dégagés par électrolyse, ce qui était loin d'être commode.

Différentes versions de cette boussole des tangentes furent réalisées et adaptées aux courants à mesurer. Certains appareils furent conçus pour une grande sensibilité, tel le galvanomètre de J.J. Thomson où le couple de rappel dû au champ terrestre était réduit par l'emloi d'un équipage astatique ( 2 petits aimants opposés, mécaniquement solidaires et entourés chacun d'une bobine ) ; le couple de rappel dû au champ terrestre ne s'exerçant que sur la différence des aimants était beaucoup réduit ; le pivot, source de frottements, était remplacé par un fil de suspension à couple de torsion négligeable et la déviation était mesurée grâce à un petit miroir solidaire de l'équipage, ce qui équvalait à une aiguille sans masse pouvant être très longue. Cet appareil permettait de manifester des courants très faibles.

Ces divers appareils, descendants directs de l'exprience d'Oersted et utilisant le champ terrestre comme couple de rappel, présentaient l'inconvénient de devoir être orientés selon le méridien magnétique. Un système moins sensible mais plus pratique fut obtenu en utilisant la pesanteur pour faire le couple de rappel : le barreau aimanté pivotait sur un axe horizontal, un lest tendait à maitenir le barreau horizontal tandis qu'une bobine créant un champ magnétique vertical inclinait le barreau selon l'intensité du courant qui la parcourait. Ce système fut assez répandu.

Mais la solution la meilleure fut d'inverser les parties fixes et mobiles. D'aprés la loi fondamentale de la mécanique la force exercée par le courant sur l'aimant suppose une force égale et opposée exercée par l'aimant sur le courant et c'est le plus mobile des deux qui bouge.

L'avantage d'un aimant fixe est qu'il peut alors être gros et lourd, engendrant un champ magnétique considérablement plus fort que le champ terrestre, d'où insensibilité à l'orientation et aux pertubations pouvant provenir du voisinage d'objets magnétiques ou de courants.
Certes la bobine ne peut compter alors autant de spires que dans les systèmes à aimant mobile, mais le gain sur le champ magnétique est tel que la force peut finalement être supérieure.

Ainsi naquirent les galvanomètres à cadre mobile.

Leur version "laboratoire" suspendait le cadre dans le champ d'un aimant en fer à cheval ; les fils de suspension amenaient le courant au cadre mobile et assuraient en même temps le couple de rappel. La déviation était mesurée grâce à un petit miroir solidaire du cadre.
Ces appareils, qui pouvaient atteindre une très grande sensibilité, furent très utilisés dans les laboratoires ( je m'en suis maintes fois servi ).

Mais l'électricité ne resta pas confinée dans les laboratoires et on eut besoin d'appareils plus robustes et plus compacts. Dans cette version "industrie", on remplaça les fils de suspension par des pivots et des ressorts spiraux et on munit le cadre d'une aiguille se déplaçant sur un cadran. On fit ainsi des ampèremètres, des voltmètres, des contrôleurs universels qui s'imposèrent vite et ont perduré jusqu'à l'époque actuelle ; fortement concurrencés de nos jours par des appareils électroniques à affichage numérique, ils restent indispensables dans certaines applications.

Ressemblances et différences

L'électricité et le magnétisme présentent de grandes ressemblances, mais aussi des différences fondamentales.

Tous deux produisent des attractions et des répulsions ; leurs actions mécaniques sont régies par la même loi de Coulomb ; tous deux sont bipôlaires : électricité positive et négative, magnétisme Nord et Sud.

Mais là se manifeste une première différence : alors qu'on peut séparer les électricités et charger, par exemple, une sphère positivement, il est impossible de produire, par exemple, un pôle Nord isolé.

Si nous prenons un barreau aimanté et que nous le brisions dans l'epoir de séparer les pôles, nous obtenons deux aimants possédant tous deux un pôle Nord et un pôle Sud. Répéter la même opération conduit au même résultat : si petit que soit le fragment, il présente toujours un pôle Nord et un pôle Sud.

Autre différence fondamentale : alors qu'un courant électrique constant engendre autour de lui un champ magnétique, un champ magnétique constant n'engendre aucun phénomène électrique dans les conducteurs immergés dans ce champ.

Induction électromagnétique

Cependant la quasi-totalité de l'électricité que nous consommons actuellement provient de l'action de champs magnétiques sur des conducteurs !

En 1831 Faraday découvrit le phénomène d'induction électromagnétique..
Pour le décrire il nous faut introduire la notion de flux magnétique ; ne voulant pas recourir aux mathématiques, nous dirons que c'est, très grossièrement, le produit du champ magnétique dans un circuit électrique par la surface effective de ce circuit, c'est-à-dire tenant compte de l'angle du champ magnétique par rapport à la normale au plan du circuit.

Faraday observa que toute variation du flux magnétique induit une force électromotrice dans le circuit.
La force électromotrice est d'autant plus grande que la variation est plus rapide.
Si le circuit comporte plusieurs spires, les effets dans chaque spire s'ajoutent.

Il y a de très nombreuses façons de faire varier le flux magnétique.

Si le champ magnétique provient d'un aimant permanent, la variation peut résulter d'un déplacement relatif de l'aimant et du circuit ou d'une déformation de celui-ci.
Si le champ magnétique est engendré par un courant, la variation peut résulter en outre d'une variation de ce courant.
Nous donnerons plus loin quelques exemples parmi les innombrables dispositifs basés sur l'induction électromagnétique.

Sens du courant induit. Loi de Lenz

Si le circuit électrique est fermé, la force électromotrice induite provoque un courant qui crée lui-même un flux magnétique dans le circuit. Le sens du courant est tel que le flux induit s'oppose à la variation du flux inducteur.

Self-induction ( ou auto-induction )

Si le flux magnétique est créé par un courant électrique, le circuit parcouru par ce courant est, bien sûr, lui-même le siège d'une force électromagnétique induite par toute variation du flux et la loi de Lenz s'applique.

Notamment lors de l'établissement ou de la disparition du flux : le phénomène de self-induction ralentit l'établissement du courant dans le circuit et, de même, tend à maintenir le courant lors de la rupture du circuit (extra-courant de rupture ).

Le phénomène est mesuré par le coefficient de self-induction du circuit ( on dit brièvement la self ) qui dépend de la surface du circuit, du nombre de spires, de leur disposition géométrique, du diamètre du fil, etc.. et de la présence éventuelle d'un noyau de matiére ferro-magnétique qui peut multiplier la self par un facteur important.

Pour des courants constamment variables ( courants alternatifs par exemple ) la self des circuits joue un rôle important et introduit des déphasages entre le courant et la tension.

L'association d'une bobine ( self ) et d'un condensateur ( capacité ) forme un circuit oscillant ( cf Oscillateurs et Ondes Hertziennes ).

Induction dans les masses conducrices. Courants de Foucault.

Si une masse de matière couductrice est soumise à un flux magnétique variable, elle sera le siège de courants induits si la géometrie de la matière conductrice leur permet de se refermer. Ces courants, découverts par Foucault, sont par nature difficiles à mesurer, mais il est facile de constater leur présence par leurs effets mécaniques et thermiques :
a) obéissant à la loi de Lenz, ils s'opposent à la variation de flux ; si cette variation est due à un déplacement, ils s'opposent à ce déplacement comme le ferait un frottement fluide.
b) ces courants dissipent de l'énergie et échauffent la matière conductrice par effet Joule.

Les courants de Foucault sont tantôt utilisés ( amortissement, freinage, plaques de cuisson à induction ), tantôt considérés comme nuisibles. C'est le cas où des noyaux magnétiques sont soumis à des flux variables ( bobines d'induction, magnétos,dynamos, moteurs, alternateurs, transformateurs ). On limite leurs effets en divisant la matière magnétique dans la direction des courants et en intercalant sur leur trajet des isolants ( noyaux feuilletés).

Applications de l'électromagnétisme :

Elles couvrent pratiquement toutes les utilisations du courant électrique, car si l'éclairage, le chauffage, la métallurgie par électrolyse ne sont pas basés sur des phénomènes électromagnétiques, le courant utilisé, lui, est produit par induction électromagnétique.

Un sujet aussi vaste demanderait un long article à lui tout seul. Je me contenterai donc d'évoquer quelques une de ces applications en essayant de respecter leur ordre d'apparition dans notre vie quotidienne.

Au début le courant électrique était fourni par des piles ; la puissance était très limitée. Les premières applications furent donc obligatoirement des applications de courant faible, donc consacrées essentiellement à transmettre de l'information.

C'est ainsi qu'une des premières applications fut le télégraphe électrique.
De nombreux systèmes furent imaginés par des savants, mais ce fut un peintre, Samuel Morse qui en 1837 imagina le premier télégraphe électrique fiable. En confiant au cerveau humain toute la charge du codage et du décodage des caractères, il créa un système de transmission d'une grande simplicité et d'une grande robustesse. Le "Morse" est d'ailleurs encore de nos jours capable de passer dans des conditions extrêmes où les autres modes de télégraphie sont trop fortement perturbés. Mais le "Morse" demande un apprentissage laborieux et beaucoup d'autres systèmes ont été inventés. Citons seulement le "Baudot" qui permit la réalisation des premiers télétypes.

La sonnette électrique à trembleur fut le premier dispositif électromagnétique installé dans les maisons. Alimenté par 3 piles Leclanché, ce petit appareil (dont le fonctionnement, plus complexe que ne le laisse supposer l'explication habituelle demanderait un certain développement) fut présent dès la seconde moitié du 19ème siècle dans la grande majorité des maisons bourgeoises. La sonnette pouvait souvent être actionnée depuis plusieurs boutons poussoirs et pour indiquer aux domestiques de quel lieu venait l'appel, un tableau regroupait des dispositifs électromagnétiques à mémoire (déjà !) fort simples.

Le téléphone s'installa peu après. Inventé par l'américain Grahamm Bell en 1877, il était au début électromagnétique aux deux extrémités de la ligne ; le transmetteur étant basé sur l'induction. La faiblesse des signaux engendrés ne permettait guère un usage commode. On substitua donc à ce dispositif électromagnétique un microphone récemment inventé par Hugues, modulant le courant d'une pile par l'intermédiaire d'un contact imparfait (baguette de charbon sous une planchette et rapidement ensuite petite bille entre les alvéoles d'un bloc et une mince plaque de charbon (microphone à grenaille).

Les progrès considérables apportés par de nombreux chercheurs tels que Edison et Clément Ader, et le fait que le système soit peu gourmand en énergie, permirent rapidement l'organisation en réseaux convergeant vers des centraux téléphoniques d'abord manuels (les demoiselles du téléphone), ultérieurement automatiques. Les développements sont connus de tous.

Un autre appareil, dont les petits modèles purent être aussi alimentés par des piles : la bobine d'induction.
Basée sur les travaux de Faraday qui, en 1831, en ébaucha la structure, elle fut réalisée en 1841 par Masson. Mais c'est Ruhmkorff, un Allemand installé à Paris, constructeur d'appareils scientifiques, qui en organisa la construction, si bien qu'elle fut connue sous le nom de bobine de Ruhmkorff. Le physicien Fizeau, en lui adjoignant un condensateur, augmenta très nettement ses performances.
Les petits modèles, alimentés par une ou deux piles au bichromate, donnaient des étincelles pouvant atteindre dix ou douze millimètres. Des modèles beaucoup plus puissants, mais évidemment plus gourmands en énergie, donnaient des étincelles atteignant, voire dépassant un mètre.
La bobine de Ruhmkorff fut un outil fondamental de notre connaissance de la nature de l'électricité (étude de la décharge dans les gaz raréfiés). Elle permit la découverte des
rayons X, leurs premières applications, les premières émissions d'ondes hertziennes, etc.

Les petits modèles figuraient quasi obligatoirement dans les coffrets de jouets scientifiques électriques qui eurent une grande vogue, à la fin du 19ème et au début du 20ème siècle. En plus de diverses expériences sur l'étincelle électrique, elle permettait d'illuminer des tubes de Geissler que l'on faisait parfois tourner, grâce à un petit moteur, formant ainsi de très belles rosaces qui fascinaient les spectateurs en ce temps où il n'y avait ni cinéma, ni télévision et où la lumière électrique était encore réservée à un petit nombre. De petits moteurs électriques figuraient aussi dans la panoplie de ces jouets, les uns spécifiquement jouets, comme ceux auxquels je fais référence quelques lignes plus haut, les autres imitant plus fidèlement les moteurs industriels (par exemple celui dont je parle dans mes "Souvenirs" au chapître Paris).

Pour étendre les applications de l'électricité il fallait des sources plus puissantes et moins onéreuses que les piles. Ce fut le rôle des machines Magnéto- et surtout Dynamo-électriques , imaginées par divers scientifiques et améliorées à chaque étape. Le principe était toujours le même : faire tourner un bobinage "induit" dans un fort champ magnétique. Dans les machines magnéto-électriques, ce champ était fourni par des aimants permanents. A l'époque, on ne disposait pas d'aimants très puissants et compacts. Ce fut donc un progrès considérable lorsqu'on eut idée de prélever une partie du courant électrique produit par la machine pour alimenter un électro-aimant produisant le champ "inducteur". Pour cela, il fallait que la machine produisit du courant continu. Ce qui fut possible par l'adjonction d'un "collecteur" (lames de cuivre isolées, reliées à des points convenablement choisis de l'induit sur lesquelles frottaient des "balais").

C'est le Belge Zenobe Gramme qui, récapitulant et coordonnant tous les progrès antérieurs et y ajoutant les siens propres, lui donna en 1871 une forme pratique.

La dynamo Gramme eut un succès considérable. (Gramme est très célébre dans les pays francophones mais je me demande si, dans les pays germanophones, ce n'est pas plutôt Siemens qui est considéré comme le créateur de la dynamo : il a, en effet, imaginé un induit plus facile à bobiner que celui de Gramme).

Permettant de convertir l'énergie mécanique produite à bon marché par les machines à vapeur (n'oublions pas que nous sommes en plein essor de la révolution industrielle) en énergie électrique, elle ouvre à celle-ci un immense champ d'applications. L'exposition de 1881, brillant de tous ses feux, consacra ce triomphe.

La dynamo fut même présente dans les jouets électriques et l'on commercialisa des ensembles réunissant sur un même plateau une petite chaudière, une machine à vapeur et une petite dynamo dont le courant alimentait une petite lampe à incandescence.

La lampe à incandescence avait été inventée vers 1880 et elle permit de porter la lumière électrique chez les particuliers. La lampe à arc, très puissante mais mal commode, l'avait précédée mais se trouvait pratiquement réservée à l'éclairage de lieux publics. Ce n'est pas ici le lieu de faire l'historique de l'éclairage électrique ; quelques considérations sur la lampe à incandescence se trouvent dans mes "Souvenirs", au chapître Paris.

On savait produire l'électricité en abondance et à bon marché ; se posa alors le problème de son transport. Deux écoles s'affrontèrent : ceux qui restaient attachés au courant continu et ceux qui soupçonnaient les avantages du courant alternatif.
On savait produire également du courant alternatif ; c'était même, en théorie, plus simple que de produire du courant continu, car le collecteur des dynamos n'était, en fait, qu'un dispositif destiné à présenter, toujours dans le même sens, le courant par nature alternatif engendré dans les spires de l'induit par la rotation dans le champ magnétique. On sut donc fabriquer des alternateurs basés sur le même principe que les dynamos, mais le plus souvent, en disposition inverse, c'est à dire avec induit fixe et inducteur tournant ; une petite dynamo auxilliaire fournissait le courant continu nécessaire à l'inducteur.

La lutte fut âpre entre les deux écoles. En Amérique, Edison refusait d'abandonner le courant continu, si bien que son jeune collaborateur, Nikolas Tesla, plus ouvert, pressentant les avantages du courant alternatif, se sépara de lui.
En France, une commission fut chargée d'étudier la question. Elle était présidée par Marcel Deprez, chaudement partisan du courant continu. Une sorte de mandarinat régnait alors sur la science française (la dictature de Berthelot imposa à la chimie française un retard qu'elle n'a jamais réussi à combler). La commission écarta tout autre solution que le courant continu ; si bien que Lucien Gaulard dut faire, en Italie, ses essais de transport d'électricité en courant alternatif. En 1884, il réussit, autour de Turin, un transport de 54 kilomètres, et l'année suivante, Deprez réalisa une distance équivalente en courant continu. La France resta encore un peu attachée au courant continu (cf. "Souvenirs" au chapître Paris). En Allemagne, un ingénieur réalisa un transport d'électricité par courant alternatif triphasé, permettant une économie importante de fils conducteurs.

L'avantage énorme du courant alternatif, c'est qu'il permettait l'usage du transformateur. En effet, on avait vite compris que le transport d'électricité avec un bon rendement imposait des tensions élevées pour diminuer les pertes par effet Joule dans les lignes ; par ailleurs, l'usage domestique de l'électricité ne pouvait guère être envisagé que sous des tensions relativement basses (200 ou 300 volts au maximum). Or, le changement de tension du courant continu ne pouvait se faire qu'en repassant par l'énergie mécanique (couple moteur-dynamo demandant surveillance et maintenance).

En courant alternatif, on dispose du transformateur qui ne comporte pas de pièce mobile et ne demande ni surveillance, ni entretien.

Le principe du transformateur remonte à la découverte de l'induction par Faraday. La bobine d'induction ébauchée par ce dernier et réalisée par Masson et Ruhmkorff était déjà un transformateur mais alimentée en courant continu haché. Les premiers transformateurs à courant alternatif ont été imaginés par Lucien Gaulard mais, comme signalé plus haut, son invention fut considérée comme sans intérêt en France, si bien qu'il dût s'adresser à l'Anglais Gibbs pour pouvoir procéder à des essais d'abord en 1882 à Londres, avec un tranformateur à noyau ouvert puis, en 1884 et 1886 en Italie avec des transformateurs à noyau fermé ressemblants, pour l'essentiel à nos transformateurs actuels.
Les scientifiques de l'époque eurent du mal à accepter l'idée du transformateur, cet appareil montrant qu'une énergie pouvait se transformer en elle-même tout en changeant ses paramètres. Depuis l'Antiquité, on savait que c'était possible en mécanique (levier, treuil, engrenages, etc. ), mais c'était difficile à admettre pour une autre forme d'énergie. Les brevets de Gaulard furent tous contestés et la reconnaissance de l'intérêt du transformateur survint trop tard pour l'inventeur ruiné.
La suprématie du courant alternatif pour le transport et la distribution d'électricité finit donc par s'imposer et le transformateur se répandit à toutes échelles de puissance. De nos jours, si l'on veut changer les paramètres d'une source continue (par exemple une batterie d'accumulateur), on s'empresse de la transformer en courant alternatif grâce à un onduleur.

La fréquence choisie pour le courant alternatif fut l'objet de quelques tâtonnements. Les essais de Gaulard furent faits à 133 Hz. Mais pour améliorer le rendement des moteurs universels (voir plus bas), on utilisa des fréquences plus basses. Dans mon enfance, le Midi de la France était alimenté en 25 Hz et même en Suisse, il y eut un certain temps une distribution en 16,66 Hz, pour faciliter l'électrification des chemins de fer. Mais des fréquences aussi basses ont de graves inconvénients : la taille et le prix des transformateurs étaient d'autant plus grand que la fréquence était basse et l'éclairage scintillait de manière désagréable. Un compromis fut donc adopté à 50 Hz en Europe et 60 Hz aux Etats-Unis.

Tout était donc en place pour que l'électricité puisse envahir tous les domaines de l'activité humaine :
- dans les habitations où elle apporta un éclairage beaucoup plus commode et moins onéreux que les sources précédentes de lumière et plus tard, l'agrément de tous les appareils électro-ménagers,
- et dans les ateliers, où elle permit une fragmentation très souple de l'énergie mécanique.

La machine à vapeur, en effet, se prête mal à la réalisation de petites unités actionnant chaque machine ; les ateliers étaient donc, en général, traversés de part en part par un arbre mû par une machine à vapeur unique et portant autant d'embrayages (poulies folles et poulies clavetées) qu'il y avait de machines à actionner. L'électricité permit une disposition et une utilisation plus souple des machines en dotant chacune de son propre moteur électrique.

Les moteurs électriques se répandirent rapidement en même temps que la dynamo de Gramm. Cette machine est, en effet, réversible et fournit les premiers moteurs à haut rendement. Il y avait eu des tentatives précédentes dont je parle ailleurs (cf. "La main à la pâte", au chapître La machine qui ne sert à rien). Vous me ferez remarquer que la machine de Gramm est essentiellement une machine à courant continu et que c'est le courant alternatif qui a permis la diffusion de l'électricité. La contradiction n'est qu'apparente car si l'excitation de l'inducteur de la dynamo est branchée en série avec l'induit (je conserve ces termes hérités de la dynamo, bien que les rôles ne soient plus exactement les mêmes), c'est le même courant qui, au même moment, traverse les deux et le moteur ainsi constitué est qualifié d'universel car il fonctionne en alternatif presque aussi bien qu'en continu. Ce type de moteurs est toujours très répandu dans les petites et moyennes puissances en raison de sa facilité à travailler dans une gamme étendue de vitesses ; son inconvénient le plus grave est de comporter un collecteur et des balais délicats et sujets à usure.

Mais les courants alternatifs permettent un autre type de moteurs : les moteurs à champ tournant.
Les courants polyphasés et notamment le triphasé avaient déjà permis une importante économie de cables pour le transport de l'électricité. Ils permirent, en outre, la réalisation de moteurs sans collecteur : un stator comprenant trois enroulements imbriqués, reliés aux trois phases du réseau triphasé, engendre un champ magnétique tournant capable d'entraîner le rotor. Pour les petites puissances, celui-ci peut-être simplement en cage d'écureuil. L'enroulement étant réduit à des barres conductrices reliées aux deux bouts par des anneaux. Pour des puissances plus importantes, il fallut conserver un véritable bobinage et insérer pour le démarrage des résistances convenables, ce qui nécessita des bagues et des balais, mais ces bagues étaient beaucoup moins délicates et sujettes à usure qu'un collecteur. Les petits moteurs à cage d'écureuil étaient tellement intéressants par leur longévité et leur silence qu'on chercha bien vite à en faire une adaptation pouvant fonctionner en alternatif monophasé, plus répandu en usage domestique que le triphasé. On constata qu'il suffisait de déphaser une partie du flux magnétique de l'inducteur pour qu'un tel moteur fonctionne. Cela est obtenu dans les trés petites puissances en munissant une partie de chaque pôle d'une bague en court-circuit ; ces petits moteurs sont extrêmement répandus de nos jours, ils font tourner les plateaux de nos fours à micro-ondes, nos tourne-disque, etc. ... Pour des puissances un peu plus importantes, le stator est muni d'un deuxième enroulement alimenté à travers un condensateur.

L'électromagnétisme joue un grand rôle dans la transmission des sons : la majorité des microphones, écouteurs et haut-parleurs sont électromagnétiques. Nous avons vu, plus haut, que le premier transmetteur téléphonique de Graham Bell avait été supplanté par un microphone à contact imparfait ; mais dès qu'on disposa d'un amplificateur fiable et peu gourmand (transistor), les transmetteurs téléphoniques redevinrent électromagnétiques ; les récepteurs (écouteurs), n'avaient jamais cessé de l'être. Ils ont conservé pendant très longtemps un principe de fonctionnement identique à celui de l'appareil de Graham Bell : le faible courant alternatif complexe véhiculant la voix passe dans un bobinage entourant les pièces polaires d'un aimant permanent situé très près d'une mince plaque de fer. Le flux magnétique de l'aimant est modifié par le courant et la plaque vibre, restituant le son, affecté de nombreuses distorsions. Le même principe fut appliqué dans les premiers haut-parleurs, souvent indirectement en agissant sur une armature de fer doux, mécaniquement reliée à un diffuseur. Malgré des tentatives d'action symétrique (moteurs à quatre pôles), les distorsions étaient toujours importantes et la restitution des basses fréquences entravée par la très faible course disponible.

Une amélioration considérable fut apportée par les haut-parleurs électrodynamiques basée sur le déplacement d'une bobine mobile dans un fort champ magnétique. Bien que l'idée fut connue depuis longtemps, les premiers modèles pratiques furent introduits en France depuis les U.S.A. en même temps que le cinéma parlant. Pour créer le champ magnétique annulaire nécessaire, ils utilisaient un électro-aimant demandant une alimentation spéciale. Une photographie d'un de ces premiers appareils figure dans mes "Souvenirs" au chapître Boulogne-Billancourt. Ces exigences restreignirent la diffusion des haut-parleurs électrodynamiques jusqu'au moment où l'on s'aperçut que la bobine d'excitation de ces haut-parleurs pouvait faire une excellente selve de filtrage pour l'alimentation des récepteurs à lampe. Ils se répandirent alors très rapidement. Lorsqu'on sut faire des aimants assez puissants sous un volume acceptable, la question de l'excitation ne se posa plus et de nos jours, les haut-parleurs dans leur plus grande majorité, des fréquences les plus basses aux plus élevées, sont électrodynamiques.
Les écouteurs et casques, avec quelque retard, suivirent la même évolution et sont aujourd'hui, majoritairement, électrodynamiques.

Pour les microphones, la situation est plus complexe. Le microphone à contact imparfait : à l'origine, baguette de charbon, puis microphone à grenaille, modulant le courant fourni par une pile délivrée d'un signal beaucoup plus important que les dispositifs électromagnétiques et en ces temps où l'on ne disposait d'aucun amplificateur, permit déjà le développement du téléphone. C'était au prix d'inconvénients bien rééls (bruits, parasites et distorsions).
Aussi, dès qu'il fut possible d'amplifier localement les faibles signaux, les dispositifs électromagnétiques revinrent en force.

On n'avait d'ailleurs pas attendu l'invention des transistors : dans les domaines où il n'était pas gênant d'utiliser des amplificateurs à lampes, les meilleurs microphones étaient des microphones électrodynamiques (même structure de base que les haut-parleurs du même nom mais avec des dimensions différentes mieux adaptées à leur rôle inverse).

Pendant une cinquantaine d'années, l'électromagnétisme a régné en maître sur la gravure et la lecture des disques analogiques. Ce sujet n'ayant plus qu'un intérêt historique, nous le traiterons très rapidement. La structure des têtes de gravure était assez confidentielle. Celle des têtes de lecture était l'objet de publicités des constructeurs. Les premiers pick-up apparus peu après 1930 (si mes souvenirs sont exacts) et destinés au 78 tours à gravure latérale étaient tous à fer mobile, donc à réluctance variable mais ce terme n'était pas utilisé. Il apparut avec les microsillons, revendiqué par une firme pour sa tête de lecture, très répandue pendant un certain temps. Les exigences de la haute-fidélité conduisirent les constructeurs à exploiter les deux autres dispositions possibles : aimant mobile et bobine mobile. La stéréophonie apporta aussi ses contraintes.
Tout cela appartient maintenant au passé...

Je pense avoir fait un tour assez général mais non exhaustif, bien sûr, des applications directes de l'électromagnétisme, mais n'oublions pas que la maîtrise des ondes hertziennes qui ont pris une si grande importance dans nos vies et même la théorie électromagnétique de la lumière de Maxwell, sont des descendants indirects de l'humble expérience d'Oersted.