Deux siècles d'énergie électrique

4.1 Introduction : personne ne cherchait l'électricité

En $1831$, quand Michael Faraday approche un aimant d'une bobine de fil de cuivre et voit l'aiguille de son galvanomètre bouger, il ne cherche pas à éclairer les villes. Il cherche à comprendre. Il est convaincu, depuis que Ørsted a montré onze ans plus tôt qu'un courant dévie une boussole, qu'il doit exister une réciproque : si l'électricité produit du magnétisme, le magnétisme doit pouvoir produire de l'électricité. Il a essayé pendant dix ans. Ce jour-là, il découvre que la réciproque existe, mais qu'elle exige une condition qu'il n'avait pas envisagée : le champ magnétique doit varier.

L'anecdote est connue — sans doute embellie — selon laquelle un ministre lui aurait demandé à quoi cela pouvait bien servir, et Faraday aurait répondu : « Monsieur, un jour vous pourrez le taxer. » Vraie ou non, elle dit quelque chose de juste. Toute l'électricité que vous utilisez aujourd'hui, à peu près sans exception, sort d'alternateurs qui exploitent ce que Faraday a découvert en cherchant autre chose.

Le programme le formule ainsi, et c'est le fil de ce chapitre : « les résultats de la recherche fondamentale aboutissent souvent à des innovations technologiques non anticipées ». Nous en verrons deux exemples majeurs, séparés d'un siècle.

• Le XIX^e siècle et l'induction. Ørsted, Faraday, Maxwell : une question de physique pure, sans application en vue, débouche sur l'alternateur — la machine qui produit aujourd'hui la quasi-totalité de l'électricité mondiale, avec un rendement que peu de convertisseurs égalent.
• Le XX^e siècle et les quanta. Planck, Einstein, Schrödinger, Born : une révolution conceptuelle sur la nature de la réalité microscopique, entreprise pour résoudre des énigmes théoriques, débouche sur les semi-conducteurs — donc sur le transistor, l'ordinateur, et le panneau solaire.

Deux siècles, deux voies : la conversion d'énergie mécanique par l'alternateur, et la conversion d'énergie radiative par le capteur photovoltaïque. Aucune des deux n'était le but des chercheurs qui en ont posé les fondements.

Deux siècles d'énergie électrique, sur deux voies parallèles. En

haut, la recherche fondamentale, qui ne visait aucune application ; en bas, l'invention technique, qui en a tiré des machines. Le décalage entre les deux lignes se compte en décennies : l'induction est découverte en $1831$ et industrialisée dans les années $1870$ ; les quanta apparaissent en $1900$ et la

première cellule solaire en $1954$.

4.2 L'induction électromagnétique : de Ørsted à Maxwell

4.2.1 Onze ans, trois expériences

$21$ avril $1820$ — Ørsted. À Copenhague, le physicien danois Hans Christian Ørsted remarque, pendant une leçon, qu'une aiguille aimantée posée près d'un fil dévie lorsque le fil est parcouru par un courant. C'est la première fois qu'un lien est établi entre électricité et magnétisme, deux domaines que l'on croyait sans rapport. La nouvelle traverse l'Europe en quelques semaines.

$1820$-$1827$ — Ampère. À Paris, André-Marie Ampère reprend l'expérience dans les jours qui suivent la nouvelle, la généralise et fonde une science qu'il nomme électrodynamique. Il montre que deux fils parcourus par des courants s'attirent ou se repoussent, et il propose que le magnétisme des aimants provienne lui aussi de courants, microscopiques et permanents — une idée exacte, dont la justification ne viendra qu'un siècle plus tard avec la physique quantique.

$29$ août $1831$ — Faraday. À Londres, Michael Faraday enroule deux bobines séparées sur un anneau de fer doux. Il constate qu'en fermant ou en ouvrant le circuit de la première, un courant bref apparaît dans la seconde. En octobre, il obtient le même effet en déplaçant simplement un aimant dans une bobine. La condition est claire : c'est la variation du champ magnétique, non le champ lui-même, qui engendre un courant. Fin octobre, il construit le disque de Faraday, premier générateur produisant un courant continu par rotation d'un disque de cuivre entre les pôles d'un aimant.

À gauche, l'expérience fondatrice de Faraday : le déplacement d'un

aimant dans une bobine engendre un courant. À droite, un alternateur — la même physique, industrialisée. Les deux éléments essentiels sont partout les mêmes : une source de champ magnétique et un conducteur, en mouvement relatif. Ici, c'est l'aimant qui tourne et la bobine qui reste fixe ; l'inverse produirait le

même résultat.

4.2.2 Maxwell : de l'expérience à la théorie

Faraday était un expérimentateur exceptionnel et un mathématicien nul — il ne maîtrisait pas le calcul différentiel. Il décrivait ses résultats par des images qu'il inventait : les fameuses lignes de force, que l'on visualise en saupoudrant de la limaille de fer autour d'un aimant. Beaucoup de ses contemporains tenaient ces images pour de la poésie.

C'est James Clerk Maxwell qui, entre $1861$ et $1873$, traduit ces intuitions en équations. Il publie en $1865$ « Une théorie dynamique du champ électromagnétique », puis en $1873$ son Traité d'électricité et de magnétisme. Sa théorie unifie l'électricité, le magnétisme et — surprise complète — la lumière : les équations prédisent l'existence d'ondes électromagnétiques se propageant à une vitesse que le calcul donne égale à celle de la lumière. Maxwell en conclut que la lumière est une onde électromagnétique. Heinrich Hertz produira et détectera ces ondes en laboratoire en $1887$-$1888$ ; la radio, la télévision, le téléphone portable et le four à micro-ondes en descendent.

4.3 L'alternateur : convertir du mouvement en électricité

4.3.1 Reconnaître les éléments principaux

4.3.2 Relier la vitesse de rotation et la fréquence

La rotation du rotor engendre une tension alternative sinusoïdale.

Avec une seule paire de pôles, un tour du rotor produit exactement une période de la tension : la fréquence est alors égale à la vitesse de rotation exprimée en tours par seconde. Multiplier le nombre de paires de pôles permet de tourner

plus lentement pour la même fréquence.

Avec une seule paire de pôles — un pôle nord et un pôle sud — un tour complet du rotor fait passer la bobine devant le nord puis devant le sud : la tension monte, redescend, s'inverse et revient. Un tour produit donc exactement une période. Si le rotor porte $p$ paires de pôles, chaque tour produit $p$ périodes. D'où la relation, valable pour tout alternateur : $$\boxed{f=p\times n}$$ où $f$ est la fréquence en hertz, $p$ le nombre de paires de pôles et $n$ la vitesse de rotation en tours par seconde. Si la vitesse est donnée en tours par minute, notée $N$, la relation devient $f=\frac{p\times N}{60}$.