Electricité : tout s'éclaire

Aujourd’hui, l’électricité est indispensable dans notre vie quotidienne. Pourtant, l’Humanité ne la maitrise finalement que depuis très récemment. Pendant très longtemps, elle fut crainte, considérée comme un signe de colère des dieux. L’utilisation que nous en faisons aujourd’hui fut permise par une longue série d’inventions, d’innovations, et de découvertes, tant sur sa nature que sur sa production.

Thalès et la découverte de l’électricité statique

Il y a 2 600 ans, le savant et philosophe grec Thalès découvre qu’un morceau d’ambre frotté sur de la peau de mouton attirait des grains de poussière. Sans le savoir, il a découvert le phénomène d’électricité statique. Pour l’expliquer, il faut observer les atomes, de minuscules briques invisibles à l’œil nu qui constituent tout ce qui nous entoure, qu’il s’agisse de l’air, de l’eau, ou même des êtres vivants. Chaque atome est composé d’un noyau de protons et de neutrons, entouré par des électrons. Les protons et les électrons s’attirent mutuellement, mais les électrons se repoussent entre eux, tout comme les protons. On considère que les protons ont une charge positive, et les électrons, une charge négative. Les atomes ont généralement autant de protons que d’électrons, ce qui leur donne une charge neutre. Cependant, certains électrons peuvent se détacher d’un atome et passer à un autre. C’est eux qui sont à l’origine du mouvement de l’électricité. Nom qui fût d’ailleurs inspiré par Thalès, car il provient du mot Elektron, qui signifie « ambre jaune » en grec ancien.

Tension et intensité

Mais les charges électriques ne sont pas seulement statiques, elles peuvent aussi être en mouvement. Prenons deux objets, un chargé positivement, et l’autre, chargé négativement, avec un surplus d’électrons. En électricité, on dit que le second a donc plus de potentiel que le premier. Cette différence de potentiel est appelée tension, et se mesure en volts. Lorsque les deux objets se touchent, le surplus d’électron va passer du potentiel fort au potentiel faible en formant un courant : c’est le courant électrique. On appelle intensité le débit de de courant, qui se mesure en ampères. Une fois que les deux objets ont un potentiel équivalent, les électrons s’immobilisent, il n’y a donc plus de courant. C’est le même phénomène qui se produit lorsque deux êtres vivants qui se touchent ressentent une légère décharge.

Volta et la pile

A la fin du XVIII^e siècle, le savant italien Alessandro Volta mène des expériences pour générer un courant électrique sur demande. Il va ainsi inventer la pile électrique, que l’on utilise encore aujourd’hui. Pour y parvenir, il a empilé un disque de cuivre, un carton imbibé d’eau salée, et un disque de zinc. Au contact de l’eau salée, le zinc se dissout progressivement, mais va conserver ses électrons. La charge négative du zinc va donc augmenter, ce qui va entraîner une différence de potentiel avec le cuivre. Les électrons vont alors circuler, formant un courant électrique. Et plus on empile de disques en série, plus on augmente la tension, et donc, le nombre de volts. Bien qu’issues d’une conception plus évoluée, les piles d’aujourd’hui fonctionnent grâce au même principe.

Le lien entre magnétisme et électricité

En 1820, le professeur Hans Christian Ørsted démontre que l’électricité influence le magnétisme quand il découvre qu’un fil parcouru par un courant électrique peut faire dévier l’aiguille aimantée d’une boussole. Un aimant est constitué de deux pôles, qui émettent chacun une force : c’est le champ magnétique de l’aimant. Mais un courant électrique, qui parcourt un fil par exemple, dispose également d’un champ magnétique. L’Anglais Michael Faraday va ensuite approfondir les expériences d’Ørsted, jusqu’à réussir à produire un courant électrique à partir d’un champ magnétique. Lorsqu’on passe un aimant à l’intérieur d’une bobine de cuivre, son champ magnétique va faire bouger les électrons du cuivre dans une même direction. Cela crée donc un bref courant électrique, qui disparait dès que l’on immobilise l’aimant, mais qui peut être entretenu en répétant le mouvement plusieurs fois à la bonne cadence. Enfin, plus la bobine et l’aimant sont gros, plus le courant est fort.

Edison et l’ampoule à incandescence

Durant la seconde moitié du XIX^e siècle, le scientifique et entrepreneur américain Thomas Edison va grandement contribuer à la progression rapide de l’innovation liée à l’électricité. Parmi le millier de brevets déposés par celui qui a inventé le phonographe, on trouve notamment l’ampoule électrique, dont il n’est pourtant pas le réel inventeur. Son fonctionnement repose sur ce qui est au départ un défaut : la résistance des matériaux. Quand des électrons circulent dans un matériau conducteur, ils sont gênés par ses atomes. Ainsi, quand le flux d’électrons est trop important, une partie de l’énergie ne parvient pas à sa destination, et se transforme en chaleur. En temps normal, le fil devient donc rouge, et finit par fondre. Mais en le mettant dans une ampoule en verre, sous vide, il est privé d’oxygène, et ne peut donc brûler totalement. Le fil reste incandescent, ce qui nous éclaire.

Thomas Edison va tenter de développer un réseau pour éclairer l’ensemble des Etats-Unis, avant de s’attaquer au reste du monde. Mais il rencontre des difficultés à cause de la résistance des matériaux, et en l’occurrence celle des câbles de distribution, qui consomme une partie de son énergie. Plus les câbles sont longs, plus ils perdent de la tension en bout de chaîne. Limité par la technologie de l’époque, il ne peut ni augmenter la tension qui parcourt les câbles, ni prendre des câbles plus gros, qui lui couteraient trop cher. La seule solution pour Edison est de construire davantage de centrales, plus petites. A New-York, par exemple, à la fin du XIX^e siècle, on trouve des centrales tous les deux kilomètres, permettant un éclairage dans tous les quartiers. Toutefois, les baisses de tension restent récurrentes, et les stations électriques à vapeur engendrent de la pollution.

Tesla et le courant alternatif

Le courant produit par Thomas Edison est un courant dit continu, semblable à celui d’une pile, avec des électrons qui vont continuellement dans le même sens. Nikola Tesla, un ingénieur originaire d’Europe qui a travaillé pour Edison, va alors proposer une autre solution : le courant alternatif. Celui-ci est produit à partir d’un rotor constitué de puissants aimants qui tourne au milieu de bobines de cuivre, une machine qu’on appelle un alternateur. Le champ magnétique induit de cette manière un courant électrique qui oscille dans un sens, puis dans l’autre.

Grâce à une autre machine de Tesla, le transformateur, il est très facile d’augmenter fortement la tension du courant. On peut donc diminuer son intensité, soit le nombre d’électrons qui parcourent les câbles, ce qui règle le problème de perte de tension du courant continu d’Edison dans les câbles sur de très longues distances. C’est la naissance des lignes à haute tension. De par sa nature, le courant alternatif fait clignoter les ampoules, ce qui peut être un inconvénient, mais il suffit alors de faire tourner le rotor de l’alternateur assez vite pour que l’œil humain ne distingue plus les variations.

L’électricité aujourd’hui

Pendant plusieurs années, une guerre économique va opposer le courant continu au courant alternatif. Finalement, tandis que les piles et les batteries fonctionnent toujours avec un courant continu, c’est le courant alternatif qui s’est imposé dans notre quotidien, et dans nos foyers. Aujourd’hui, lorsque l’on branche un appareil électrique, il est alimenté par un courant de près de 230 volts. Une tension atteinte après avoir été réduite dans plusieurs transformateurs, qui vont agir comme entonnoirs. Et qui redistribuent un courant qui provient des lignes à haute tension, où il atteint 400 000 volts, directement depuis une centrale électrique.

La plupart du temps, cette électricité est produite par un alternateur, qui demande beaucoup d’énergie pour être mis en rotation. Si cette énergie peut provenir d’un barrage hydraulique ou d’une éolienne, elle est généralement fournie par une turbine à gaz. Mais celle-ci fonctionne grâce à la combustion de pétrole, de gaz, ou de charbon, ou bien via la fission de combustibles nucléaires. Des sources d’énergie que nous épuisons progressivement, ce qui va nous forcer à trouver de nouvelles alternatives. Comme l’énergie solaire, ou encore l’hydrogène, qui peut aussi produire de l’énergie grâce à la fusion nucléaire.