ÉLECTRICITÉ DE CONTACT

882. Expériences de «aWani. — Jusqu'à la fin du siècle dernier on ne connut guère d'autre moyen de produire de Télectricité (si Ton excepte l'électricité atmosphérique, dont l'origine est encore bien obscure aujourd'hui) que les actions mécaniques , telles que le frottement de deux corps diflerents, la pression, le clivage, ou les changements de température, comme on l'avait observé pour la tourmaline. Plusieurs physiciens avaient bien essayé de constater un dégagement d'électricité dans les actions chimiques, la formation des vapeurs ou même la végétation des plantes; mais le résultat de ces tentatives était resté fort douteux. Les observations de Galvani, professeur d'anatomie à l'Université de Bologne, sur Télectricité animale ont été le point de départ d'une phase nouvelle dans la science.

En 1780 Galvani, ayant disséqué une grenouille pour des expériences de physiologie, la plaça sur une table auprès d'une machine électrique ; un aide vint à toucher par hasard les nerfs cruraux avec la pointe d'un scalpel, aussitôt tous les muscles des membres inférieurs se contractèrent comme s'ils étaient pris de convulsions violentes. On reconnut bientôt que le contact du scalpel n'était pas la cause unique du phénomène, car les contractions se manifestaient seulement toutes les fois qu'on tirait une étincelle de la machine électrique. Cette première découverte n'était en réalité que l'expérience

354 TRAITÉ lyÉLBCTRIClTÉ STATIQUE.

du choc en retour manifesté par la contraction d'organes Tirants; Galvani reconnut, en effet, que les mêmes contractions se produisent toutes les fois que les nerfs, situés dans le voisinage d'une machine ou d'un corps électrisé d^une manière quelconque dont on tire des étincelles, sont mis en relation avec le sol par l'intermédiaire d'un corps conducteur, et qu'elles disparaissent si l'on emploie un corps isolant.

Voulant employer cet élcctroscope d'un genre nouveau à l'étude de l'électricité atmosphérique pendant les orages, Galvani fit élever au-dessus de sa maisoû une tige de fer pointue communiquant avec un fil métallique qui pénétrait dans son laboratoire. A la partie inférieure de ce fil, terminée en crochet, on attacha les nerfs lombaires d'une grenouille disséquée. Les contractions des muscles se manifestèrent souvent au moment des éclairs, et même quelquefois par un ciel nuageux sans qu'il y eût apparence d'éclairs.

Enfin Galvani, en 1786, chercha à manifester par les mêmes moyens l'électricité qui se trouve dans l'atmosphère par les temps calmes. A cet eflet, il prépara une grenouille à la manière ordinaire, et la suspendit à une balustrade en fer par un crochet de cuivre qui traversait la moelle épinièrc. L'expérience fut absolument négative au point de vue du but que se proposait Galvani ; mais, ayant par hasard amené les cuisses de l'animal jusqu'au contact des barreaux de fer, il vit avec surprise les muscles se contracter violemment, et les mouvements convulsifs se reproduire chaque fois qu'il établissait le contact entre les muscles et les barreaux. Pour s'assurer que ce phénomène n'était pas dû aux altérations que le fer avait subies, ou à un état électrique particulier qu'il aurait acquis par une longue exposition à l'air, Galvani répéta l'expérience sous toutes les formes. 11 suspendit la grenouille à un crochet en fer bien poli, puis il établit une communication entre les muscles et le fer par un fil de cuivre ; ou bien il réunit les nerfs et les muscles de la jambe par un fil formé de deux métaux différents, comme le cuivre et le zinc (fig. 245), et reconnut que les mêmes contractions se manifestent toutes les fois que le contact est établi 0*

(') Aloytii Galvani de viribus elecUicitatis in motu musculari commenlarua- Bononisc, 1701.

nSS SOURCES D'ÉLECTRICITÉ.

Cette découverte parut à Galvani la confirmation inespérée de ses idées préconçues sur les analogies qui existent entre Tagent Dcrveux et Félcctricité. Il considéra lé corps des animaux comme une véritable bouteille de Leyde qui se charge spontanément par un phénomène corrélatif de la vie, et dont les armatures sont formées par les muscles et les nerfs ; le condensateur ainsi constitué se décharge quand on établit une communication conductrice entre lo« deux armatures, et provoque une contraction musculaire, comme le ferait une étincelle électrique d'origine étrangère. Cependant Galvani ne manqua pas de remarquer que les secousses sont beaucoup plus violentes lorsque la communication des nerfs avec les muscles est établie par Tintermédiairc de deux métaux, mais cette circonstance ne lui parut pas démontrer suffisamment que l'origine de Télectricité devait être cherchée dans les métaux eux-mêmes.

Les expériences de Galvani eurent immédiatement un grand retentissement, et ses idées furent en général accueillies avec faveur. Toutefois Volta, insistant sur la nécessité de deux métaux différents pour provoquer les

contractions, émit l'opinion que Télectricité n'est pas n écessai rcment d'origine animale, qu'elle se produit au contact même des deux métaux, et que l'ensemble des muscles et des nerfs de la grenouille intervient simplement comme un électroscope.

Il en résulta entre les deux savants une discussion mémorable, dans laquelle chacun d'eux accumula les preuves les plus ingénieuses en faveur de sa théorie. Ainsi Galvani démontra que la présence des deux métaux n'est pas nécessaire. Il obtint des contractions en réunissant les nerfs et les muscles par un fil d'or, ou en laissant tomber sur un bain de mercure une grenouille iraichement préparée. Il montra même qu'on peut supprimer toute substance métallique, et qu'il se manifeste encore des contractions quand on réunit les nerfs et les muscles par une

bande de papier mouillée ou par un morceau d'un muscle

Fig. 245.

336 TRAITÉ DILECTRIGTË STATIQUE.

étranger, ou encore quand on replie la jambe de manière à lui faire toucher le nerf. Au lieu d'ébranler les idées de Yolta, ces nouvelles expériences lui iservirent à généraliser davantage sa théorie. 11 admit qu'il se produit de l'électricité, non seulement au contact de deux métaux, mais aussi au contact de deux substances quelconques de nature différente, quoique reflet soit toujoui's plus manifeste avec les métaux.

11 est curieux de constater que les nombreux travaux exécutés depuis cette époque ont lini par donner raison aux deux adversaires. Il est vrai, d'après l'opinion de Yolta, que le contact de deux métaux peut être considéré comme une source d'électricité; mais les organes des animaux sont dans le même cas, et une partie au moins des expériences de Galvani doit être expliquée par l'électricité propre de la grenouille, comme Volta (*) le reconnaissait d'ailleurs lui-même.

A la même époque, Fabroni (') attribua la production d'électricité aux actions chimiques qui s'exercent, soit entre les métaux et Pair atmosphérique, soit entre les métaux et les liquides de l'organisme, actions chimiques que le contact des métaux entre eux a pour effet d'exalter. Cette explication des effets de la pile de Volta par les phénomènes chimiques, un peu négligée d'abord, a fini par acquérir un grand crédit; elle a été pour ainsi dire seule adoptée pendant assez longtemps, et nous verrons bientôt comment on doit l'interpréter.

885. Expérienee» de ¥oita. — Yolta a chcrché à mettre hors de doute les deux propositions suivantes (') :

1** Ce que l'on appelle le fluide galvanique n'est auti^e chose qiic de l'électricité.

2* Le contact de deux corps produit entre eux une force dectrique, une impulsion électrique, ou une tension.

Ces trois expressions, qui reviennent souvent comme équivalentes dans le langage de Volta, expriment une idée qui était parfaitement claire dans son esprit. La tension de contact ne résultait pas pour lui d'une quantité déterminée d'électricité, ou d'un excès d'électricité sur l'un des corps, comme on l'a dit sou-

(») UUreà T. Cavano. Phil. trans. (1793), part. I, p 10.

(«) Journal de Phytique de tahbé Rozier, t. XUX, p. 348 (1799).

(>) Annaiei de aUmie, V série, t. XL, p. 225 (1801).

DES SOURCES DÉLEGTRICITÊ. 537

nt; elle représentait une force, une tendance des deux éleclrilés à marcher l'une vers l'autre, tendance à laquelle la diffénce de nature des deux corps faisait obstacle. Pour traduire dée de Yolta dans le langage actuel, il suffit d'admettre que le mtact de deux corps établit entre eux une certaine différence ; potentiel. Chacun des deux métaux est à un potentiel constant ans toute son étendue; mais, au passage d'un métal à l'autre travers la surface de contact, il se manifeste un changement apide de niveau électrique. Ce changement, sans être abolument brusque, ce qui serait contraire au principe général e continuité dans les phénomènes physiques, s'effectue dans me étendue inappréciable, et la variation du potentiel est indétendante de la valeur absolue du potentiel sur chacun des méaux. C'est là l'hypothèse fondamentale dont tous les phénomènes meuvent se déduire ; si nous employons quelquefois le mot de ension électrique pour abréger le langage, il faudra l'entendre lans le sens d'une différence de potentiel.

Voici maintenant quelques-unes des expériences de Yolta :

l"" Yolta prit une double lame métallique formée d'un disque le zinc soudé à un disque d'argent ; tenant le zinc avec la main, 1 appliqua le disque d'argent sur le plateau inférieur A d'un îlectroscope condensateur, et mit par l'autre main le plateau supérieur B en communication avec le sol. Supprimant ensuite les contacts, puis enlevant le plateau supérieur, il vit les pailles liverger de 2**, 5® et même 4" ; elles étaient chargées d'électricité négative.

2* Prenant ensuite l'argent avec la main et appuyant le zinc >ur le plateau inférieur par l'intermédiaire d'un morceau de Irap ou de carton humide, il obtint de même S"" ou i"" d'électriûté positive.

L'interposition du drap dans cette expérience a pour but de mpprimer le contact direct du zinc avec le cuivre du plateau. Comme les propriétés électriques du cuivre et de l'argent sont à peu près identiques, ce nouveau contact établirait entre le plateau et le zinc une différence de potentiel égale et de sens con- Iraire à celle qui existe entre le zinc et l'argent, de sorte que les deux plateaux du condensateur seraient au même potentiel,

^la charge nulle.

Il 'l'i

Volta admet, il est vrai, que le contact du zinc avec les doigts, dans le premier cas, et avec le drap mouillé dans le second, n*ont eu aucune influence, tandis que c*cst là précisément que les partisans de la théorie chimique font résider la production d'électricité. Pour répondre à cette objection, Voila répète la première expérience en plaçant entre la main et le zinc une rondelle mouillée, et vérifie qu'alors les résultats ne sont pas modifiés. Il ajoute, toutefois, qu'il se produit une action énei^que si le drap est mouillé par des acides ou alcalis concentrés, de sorte qu'en définitive ces deux expériences sont peu démonstn* tives ; la suivante n'est pas sujette aux mêmes objections.

3® Les deux disques de zinc et d'argent peuvent rester isolés dans la première expérience, pourvu que leurs surfaces soient très-grandes, ou que la lame de zinc soit en communication avec un conducteur d'une trés-grande surface, une bouteille de Leyde par exemple. En opérant ainsi, Yolta a obtenu sur le plateau inférieur, non plus 3*^ ou 4"* comme précédemment, mais seulement 1" ou 2" d'électricité négative.

Cette expérience de Volta est intéressante, mais un peu complexe ; la production d'électricité tient, non pas au contact du zinc avec l'argent, commelecroyait Volta, mais à la diflérencedcs armatures de la bouteille de Leyde. Elle ne réussirait probablement pas si les deux armatures étaient formées du même métal; mais, à cette époque, les bouteilles étaient couvertes d*étain à l'extérieur et remplies à l'intérieur de feuilles de clinquant. Nous supposerons donc que Tannalure intérieure est en cuivre, comme les plateaux, et qu'elle communique avec le plateau supérieur de l'électroscope ; le plateau inférieur est relié à l'armature extérieure par la double lame d'argent et de zinc. Soit jc le potentiel intérieur de la bouteille, y son potentiel extérieur, C sa capacité électrique; c la capacité de l'électroscope, V. et \\ les potentiels des deux plateaux. Comme il n y a aucune souree d'électricité autre que les contacts, les deux condensateurs se chargeront de (juantilés d'électricité égales, mais de signes contraires aux deux extrémités d'un même conducteur. Soit m cette charge commune, et supposons qu'elle soit négative, par exemple, sur le plateau A. Nous verrons plus loin (885) que, d'après une loi de Volta, lorsque deux métaux sont réunis d'une manière

bES SOURCES D ÉLECTRICITÉ. 5511

quelconque par des conducteurs métalliques, la diiïéi'ence de leurs potentiels est la même que si ces métaux étaient directement en contact ; il en résulte déjà

et

Représentons 'maintenant par le symbole SnjCu la différence de potentiel caractéristique du contact de 1 etain avec le cuivre, on aura encore

j/ — V.= Su|Cu.

On déduit de ces équations

m = SnlCu.

Si l'on supprime la bouteille de Leyde, la charge de Pélectro-

scope est nulle; si le rapport p est trés-})etit, la charge est celle

que donnerait le contact direct Étain ; Cuivre ; comme la diflerence des potentiels de ce contact est, diaprés Yolta, à peu prés moitié moindre que pour le contact Zinc, Cuivre, on voit que le résultat de l'observation est d'accord avec ce qu'indiquerait le calcul. La production d'électricité est difficile à expliquer ici autrement que par le simple contact, mais le phénomène est peut-être trop complexe pour entraîner la conviction ; la dernière expérience de Volta ne prête plus à aucune équivoque.

4* On applique l'un conti'e Tautre, à l'aide de manches isolants, deux plateaux, l'un de zinc et Tautre de cuivre, parfaitement polis et dont les surfaces sont bien planes ; on les sépare ensuite normalement et on les approche séparément d'un élec- Iroacope très-sensible. On reconnaît que les deux plateaux sont ëiectrisés, le cuivre négativement, le zinc positivement, et ont des charges égales : Volta obtenait ainsi une divergence des fûUes de 3"*. ^expérience réussit très-bien avec des plateaux dr

540 TRAITÉ D'ÉLECTRiaTÉ STATIQUE.

10 cenlimèires de diamètre et un électroscope à pile sèche. VolU fait observer que, dans cette circonstance, il y a contact à la manière ordinaire et en même temps un phénomène de condensation ; en effet, lorsque l'équilibre a lieu, la charge électrique est égale au produit de la différence de potentiel Zn|Cu, caracléristique du contact des deux métaux, parla capacité dcTespèGe de condensateur que forment les plateaux.

884. Loi dn contact. — Nous adoptcrous donc rélectricitê de contact, définie par la différence de potentiel ou la tension des deux corps qui se touchent, sauf plus tard à discuter les objections qui ont été faites à cette théorie ; nous admettrons aussi provisoirement que, dans la première expérience de Voila, le contact des doigts et du drap humide avec les métaux ne joue qu'un rôle négligeable.

A'olta a voulu vérifier que la grandeur des lames et retendue de la surface de contact n'ont pas non plus d'importance, de sorte que la différence de potentiel est la seule quantité définie. Il reconnut d'abord qu'avec un condensateur donné, la déviation des pailles est complètement indépendante de la grandeur des lames et de l'étendue du contact. En second lieu, il s est servi de condensateurs ayant des forces accumulatrices (forces condensantes) qui étaient de 120, 180, 240 et 500, et il a obtenu des déviations de 2°, 5**, 4** et 5% c'csl-à-dire proportionnelles aux forces condensantes, ce qui doit être.

Les principes étant bien établis. Voila a déterminé la liste des tensions des métaux, en les rangeant d'après la tendance plus ou moins grande qu'ils onl à prendre Tune ou l'autre des deux électricités. L'existence d'une semblable échelle des corps, de même que pour rélcclricilé de frottement, n'est pas évidente à priori; mais, si un métal M prend de rélectricitê positive par sou contact avec un autre métal A, et de l'électricité négative avec un métal B, r(\\périence montre toujours que, lors du contact des métaux A et l\ entre eux, le premier prend de rélectricitê négative et le second de rélectricitê positive.

Dans le cas d'un contact entre deux corps, on a Thabilude d'appeler électro-nêgatir celui des deux qui se charge d'éleclricité positive, afin de rappeler par là que ce corps exerce sur rélectricitê positive une sorte d'attraction, comme s'il était électrisé

DES SOURGKS DÉLECTRICTTË. 341

négativement. Plus exactement, on appelle électro-négatif celui des deux corps qui, dans le contact, prend le potQntiel le plus élevé ; l'autre corps est électro-positif. Pour éviter l'ambiguité que ces expressions ont l'inconvénient de créer, nous dirons qu'un corps est positif ou négatif, suivant que dans son contact avec un autre il prendra le potentiel le plus élevé ou le plus faible. A ce point de vue, les corps forment, à une température déterminée, une série continue que l'on appelle la série des tenfiions, cl qui présente beaucoup d'analogie avec l'échelle des températures. D'après Volta, les métaux usuels se classent dans l'ordre suivant, en commençant par les plus négatifs :

Argent, Fer, Plomb,

Cuivre, Ëtain, Zinc.

Au-dessus de l'argent, on pourrait mettre aussi des corps d'une autre nature, tels que la plombagine et le bioxyde de manganèse.

885. Loi des tensions. — Lorsquc plusieurs métaux sont soudés les uns aux autres, de façon à former une chaîne continue, la différence des potentiels des métaux extrêmes est la même que s'ils étaient directement en contact. Cette loi importante a été établie expérimentalement par Volta. En prenant pour unité la différence des potentiels du contact Cuivre] Argent, il a trouTé pour les autres contacts successifs les valeurs :

Cii|A^ = l, Ye\ÇM = % Sw|Fe = 5, P&lSn=:i, Zn|l*& = 5;

et rexpériencc a montré que la tension de contact du zinc avec l'argent est représentée par 12. Or, si Ton imagine une chaîne formée des métaux suivants : zinc, plomb, étain, fer, cuivre, argent, Id différence de potentiel des métaux extrêmes est évidemment égale à la somme des différences relatives à tous les contacts successifs, et cette somme est aussi égale à 12.

Soient A, B, C, D, E des métaux successivement en contact; en désignant par le symbole M |N la différence des potentiels ca-

342 TRAITÉ DÉLEGTRICITÉ STATIQUE.

ractéristique du contact des deux métaux M et N, on peut représenter la loi de Volta par la formule suivante :

(1) A|B-+.B|Ch-C1D-+.D|E=A|E.

Chacun des termes du premier membre peut être plus grand ou plus petit que zéro, selon que le premier des deux niétaux que l*on rencontrera, en suivant la chaîne dans un sens déterminé, sera positif ou négatif par rapport au suivant. On a d'ailleurs, d'après les conventions :

Si donc on fait passer tous les termes de l'équation (i) dans le premier membre, il vient :

A|B-f-BlC-f-C|D-f-DlE — A1E = 0, ou bien :

(2) A!B-+.BlC4-C|D-f-DlE-f-EiA = 0.

Cette équation (2) est une conséquence très-importante de la loideYolta; elle montre que, si les deux métaux qui terminent la chaîne sont identiques, la somme totale des ditférences de potentiel, quand on va d'une extrémité à Tautre, est nulle, et, par suite, que les niveaux électriques aux deux bouts de la chaîne sont identiques. Si Ton ferme la chaîne en réunissant les extrémités, on n'introduit pas de nouveau contact et la somme des tensions est encore nulle. Il ne pourra se produire aucun phénomène électrique dans l'un quelconque des métaux, puisque les extrémités de chacun d'eux sont au même potentiel, et il ne se produira rien non plus d'un métal à l'autre, la différence des potentiels étant sur toutes les soudures égale à celle qui caractérise le contact ; il ne peut donc exister aucun courant électrique permanent dans un pareil circuit. Cette proposition n'est pas autre chose que V impossibilité du mouvement perpétuel. Si la loi de Volta n'était pas vraie, une série de contacts entre métaux dans un circuit fermé pourrait produire un courant électrique permanent; comme ces courants développent de la chaleur, il en résulterait un travail qui ne correspondrait à aucune dépense équivalente.

886. Volta a partagé les corps en deux grandes classes. La première renferme ceux qui obéissent à la loi des tensions : elle comprend tous les métaux et un certain nombre de corps solides ; la seconde classe renferme les corps pour lesquels la loi des tensions n'est plus vraie : ce sont en général les conducteurs humides. Ainsi le contact Zinc | Argent donne une différence de potentiel égale à 12, et le contact de l'eau avec le zinc une différence égale à 1 seulement. D'après la loi des tensions, le contact Eau {Argent devrait donner une différence de potentiel égale à 13, tandis qu'en réalité cette différence est aussi sensiblement égale à 1 .

En formant une chaîne continue avec des corps pris dans les deux classes, il est possible de terminer la chaîne par des métaux identiques qui soient alors à des potentiels différents, et puissent produire des effets électriques conljrttis, de manière à constituer un véritable électro-moteur amlof^ue aux machines à frottement. Mais, ce que nous avons dit plus haut à propos du mouvement perpétuel n'est pas applicable ici, parce que le contact des métaux avec les conducteurs humides donne lieu à des actions chimiques, qui accompagnent toujours les phénomènes électriques et en représentent le travail mécanique. Toutefois Voila ne parait pas avoir aperçu cette distinction capitale, car il ne considère pas comme impossible de trouver des corps, comme les métaux, qui ne suivraient pas la loi des tensions et qui permettraient la construction d'un appareil électromoteur sans liquide ; ce serait alors la réalisation du mouvement perpétuel.

Volta s'est aussi demandé s*il n'y aurait pas parmi les liquides des corps obéissant entre eux à la loi des tensions, ce qui constituerait une troisième classe de conducteurs ; la considération des poissons électriques, dont les appareils peuvent être assimilés, d'après lui, à une pile composée uniquement d'organes humides, lui fait présumer cependant que la loi ne doit pas être applicable à tous les liquides. Nous verrons, en effet, que cette loi des tensions a lieu pour certains liquides entre eux, mais qu'elle n'est pas exacte d'une manière générale.

887. Piiiicipcj de la pile de ¥oita. — Enfin, cn s'appuyaut sur les expériences qui précèdent, Volta a imaginé cet appareil merveilleux, la pile électrique, dont nous ne donnerons pour le

moment que le principe. Yolta superpose alternativement une série de disques formés par des monnaies d'argent et des lames de zinc, mais en ayant soin de supprimer de deux en deux le contact direct du zinc et de Targent, par Tinterposition d*uDe rondelle humide de carton ou de drap. La différence des potentiels, aux deux extrémités de cette colonne on pile de disques, est d'autant plus grande que les éléments de la colonne sont plus nombreux. Appelons œuple Tensemble de deux disques de métal et d*une rondelle humide. Yolta a reconnu que, si un couple donne à Télectroscope condensateur une déviation de 2*", deux couples donneront 4^*, trois couples 6**, quatre couples 8**, etc. En effet, les contacts de l'eau avec le zinc et avec Targent étant à peu près identiques, d'après Yolta, la différence de potentiel des couples extrêmes sera proportionnelle au nombre des contacts du zinc avec l'argent, qui sont tous de même sens, et la charge de Fëlectroscope sera aussi proportionnelle au nombre des couples.

Si la pile est isolée, les deux extrémités ou pôles ont des potentiels égaux et de signes contraii*es ; si l'un des pôles communique avec le sol , l'autre pôle prend un potentiel, positif ou négatif, égal en valeur absolue à la difTérence que détermine le nombre des couples.

Par extension, on appelle pile électrique un ensemble de couples, de nature et de forme quelconques, réunis ainsi bout à bout.