Prenez une alimentation de 12 V et une résistance de 100 Ω.
Aujourd’hui, n’importe quel radioamateur peut calculer en quelques secondes le courant qui la traversera.
Mais pour arriver à cette simple opération, il aura fallu des siècles.
Pendant très longtemps, l’électricité fut un phénomène mystérieux. Elle produisait des étincelles, attirait de petits objets, faisait dresser les cheveux et tombait parfois du ciel avec fracas.
Puis les savants commencèrent à mesurer.
À comparer.
À expérimenter.
Et surtout : à transformer les observations en lois.
Voici comment les étincelles devinrent des équations.
Thalès : quand l’ambre attirait la poussière
Notre histoire commence bien avant les multimètres.
Vers le VIe siècle avant notre ère, les Grecs connaissent déjà un phénomène curieux.
Lorsque l’on frotte de l’ambre avec certains matériaux, celui-ci peut attirer de petits objets légers.
L’ambre se dit : elektron.
Le mot donnera bien plus tard : électricité.
Évidemment, personne ne parle encore d’électrons.
Il faudra attendre près de deux millénaires pour commencer à comprendre ce qui se passe réellement.
William Gilbert : l’électricité devient un sujet scientifique
Au tournant du XVIIe siècle, le médecin et savant anglais William Gilbert étudie méthodiquement les phénomènes électriques et magnétiques.
En 1600, il publie De Magnete.
Gilbert montre notamment que l’ambre n’est pas le seul matériau capable d’attirer de petits objets après frottement.
Surtout, il distingue progressivement deux phénomènes longtemps confondus : électricité et magnétisme.
La science électrique commence à sortir du domaine de la curiosité.
Benjamin Franklin : l’électricité descend du ciel
Au XVIIIe siècle, les expériences sur l’électricité statique se multiplient.
Bouteilles de Leyde, machines électrostatiques et étincelles fascinent les scientifiques.
Benjamin Franklin propose alors une idée spectaculaire : la foudre serait un phénomène électrique.
Ses expériences autour de 1752 contribuent à établir ce lien.
Le paratonnerre en sera l’une des applications les plus célèbres.
Franklin popularise également une convention qui nous accompagne toujours : charges positives et négatives.
Une première grammaire de l’électricité apparaît.
Mais il manque encore quelque chose d’essentiel : mesurer les forces électriques.
Coulomb : l’électricité entre dans les mathématiques
C’est ici qu’intervient le Français Charles-Augustin de Coulomb.
Dans les années 1780, grâce notamment à sa balance de torsion, il étudie les forces entre charges électriques.
Il montre que la force varie notamment avec la distance séparant les charges.
La relation que nous appelons aujourd’hui loi de Coulomb s’écrit sous une forme simplifiée : F = k × |q₁q₂| / r²
Retenons surtout ceci : plus les charges sont importantes, plus la force est grande ; plus elles sont éloignées, plus cette force diminue rapidement.
L’électricité n’est plus seulement quelque chose qui produit une étincelle.
Elle devient : mesurable.
Et notre unité de charge électrique, le coulomb — C, lui rend hommage.
Volta : enfin un courant qui dure !
Les premières expériences électriques ont un sérieux défaut.
Elles produisent principalement des charges statiques et des décharges très brèves.
Difficile de construire beaucoup de choses avec une étincelle qui disparaît aussitôt !
Puis arrive Alessandro Volta.
En 1800, il présente sa célèbre : pile voltaïque.
Des disques de métaux différents séparés par un matériau imbibé d’électrolyte permettent d’obtenir une source électrique beaucoup plus continue.
Pour les expérimentateurs, c’est une révolution.
Ils disposent désormais d’électricité suffisamment longtemps pour l’étudier.
Le nom de Volta restera dans notre unité de tension : le volt — V.
Sur notre alimentation de station marquée 13,8 V, Volta est toujours là.
De l’ambre de Thalès à la pile de Volta : plus de deux millénaires pour transformer un phénomène mystérieux en science mesurable.
1820 : une aiguille bouge près d’un fil
Pendant longtemps, électricité et magnétisme restent deux domaines distincts.
Puis, en 1820, le Danois Hans Christian Ørsted observe qu’un courant électrique circulant dans un conducteur peut dévier une aiguille aimantée.
Voilà une découverte extraordinaire.
Un courant électrique produit un effet magnétique.
Les deux mondes viennent de se rencontrer.
D’autres scientifiques se précipitent sur cette découverte.
Parmi eux se trouve : André-Marie Ampère.
Ampère : le courant produit un champ magnétique
Ampère étudie rapidement les interactions entre courants électriques.
Il développe une description mathématique de ces phénomènes et pose les bases de ce que l’on appellera : l’électrodynamique.
Le courant électrique possède désormais une unité qui nous est particulièrement familière : l’ampère — A.
Lorsque votre transceiver consomme 20 A en émission, son afficheur rappelle donc indirectement les expériences commencées deux siècles plus tôt.
Et l’idée fondamentale est essentielle pour la radio : lorsqu’un courant circule, il crée un champ magnétique.
Bobines, transformateurs, relais, moteurs et électroaimants reposent tous, d’une manière ou d’une autre, sur ce lien.
Ohm : enfin une loi utilisable sur l’établi !
Nous arrivons maintenant à l’une des relations les plus connues de toute l’électronique.
Dans les années 1820, le physicien allemand Georg Simon Ohm étudie les relations entre tension, courant et conducteurs.
La relation que nous utilisons aujourd’hui s’écrit : U = R × I avec :
- U = tension en volts,
- R = résistance en ohms,
- I = courant en ampères.
Et soudain, énormément de choses deviennent calculables.
Avec une alimentation de 12 V et une résistance de 100 Ω : I = U / R = 12 / 100 = 0,12 A soit : 120 mA.
Voilà probablement l’une des premières formules apprises par beaucoup de radioamateurs.
Sur l’établi
Résistance série d’une LED, courant dans un circuit, chute de tension dans un câble, polarisation d’un transistor…
Deux siècles plus tard : Monsieur Ohm travaille toujours avec nous !
Faraday : fabriquer de l’électricité avec du magnétisme
Ørsted avait montré qu’un courant pouvait produire un effet magnétique.
Michael Faraday se pose alors une question presque évidente : peut-on faire l’inverse ?
Peut-on produire de l’électricité grâce au magnétisme ?
En 1831, ses expériences démontrent le phénomène d’induction électromagnétique. Un champ magnétique variable peut induire une force électromotrice dans un circuit.
C’est gigantesque.
Nous venons d’obtenir le principe fondamental de : l’alternateur, la dynamo, le transformateur et d’innombrables dispositifs électromagnétiques.
Sous sa forme générale : e = − dΦ/dt
Autrement dit, une variation du flux magnétique peut créer une tension.
Pour un radioamateur, Faraday est partout : transformateurs, selfs, baluns, alimentations, couplages et antennes.
Lenz : pourquoi ce signe « moins » ?
Dans l’équation précédente apparaît un petit signe : −
Il n’est pas là pour décorer.
Heinrich Lenz établit dans les années 1830 que le courant induit apparaît dans un sens tel que son effet s’oppose à la variation qui l’a produit.
C’est la : loi de Lenz.
La nature semble donc répondre : « Vous essayez de modifier le flux magnétique ? Le courant induit va réagir à cette modification. »
Faraday explique comment naît l’induction.
Lenz nous indique : dans quel sens elle agit.
Joule : l’électricité chauffe
Faites passer beaucoup de courant dans une résistance.
Elle chauffe.
Augmentez encore le courant.
Elle chauffe beaucoup !
Au XIXe siècle, James Prescott Joule étudie quantitativement la transformation de l’énergie électrique en chaleur.
Pour nos circuits, la puissance dissipée peut notamment s’écrire : P = R × I²
mais aussi, suivant les grandeurs connues : P = U × I ou : P = U² / R.
Voilà pourquoi une résistance de ¼ W ne peut pas toujours remplacer une résistance de 10 W, même si elles possèdent exactement la même valeur en ohms.
Sur l’établi
Résistances de puissance, charges fictives, transistors, câbles et alimentations : dès qu’un composant chauffe, Joule n’est jamais très loin.
Kirchhoff : quand les circuits deviennent compliqués
Une résistance et une pile, c’est facile.
Mais ajoutez plusieurs branches, plusieurs résistances et plusieurs sources…
Notre petit circuit devient vite beaucoup moins sympathique.
Au milieu des années 1840, Gustav Kirchhoff formule deux règles fondamentales permettant d’analyser les réseaux électriques.
Première loi : les nœuds
À un point de jonction : somme des courants entrants = somme des courants sortants.
L’électricité ne disparaît pas mystérieusement dans le raccord.
Deuxième loi : les mailles
Dans une boucle fermée : la somme algébrique des tensions est nulle.
Ces deux principes deviennent des outils extraordinaires.
Nous pouvons maintenant analyser méthodiquement des circuits beaucoup plus complexes.
D’Ørsted à Kirchhoff : courant, magnétisme et induction deviennent des lois permettant enfin de calculer nos circuits.
Maxwell : toutes les pièces du puzzle se rejoignent
Nous avons maintenant : des charges, des tensions, des courants, des champs magnétiques, de l’induction.
Mais tout cela ressemble encore à plusieurs chapitres différents.
Puis arrive James Clerk Maxwell.
Dans les années 1860, il rassemble et développe les connaissances accumulées par Faraday, Ampère et leurs prédécesseurs dans une théorie cohérente du : champ électromagnétique.
Et cette théorie conduit à une conclusion extraordinaire : des perturbations électromagnétiques doivent pouvoir se propager dans l’espace.
Leur vitesse calculée correspond à celle de : la lumière.
Maxwell comprend alors que la lumière elle-même est un phénomène électromagnétique. Son article majeur sur le champ électromagnétique paraît en 1865, avant son monumental Treatise on Electricity and Magnetism de 1873.
Nous sommes désormais à quelques pas seulement de : la radio.
Attention aux « quatre équations de Maxwell »
On représente aujourd’hui l’électromagnétisme classique à l’aide de quatre élégantes équations vectorielles appelées : équations de Maxwell.
Mais l’histoire est un peu plus subtile.
Maxwell lui-même utilisait une formulation beaucoup plus développée.
Après sa mort, des scientifiques comme Oliver Heaviside, Oliver Lodge, George FitzGerald et Heinrich Hertz contribuèrent à reformuler, simplifier, diffuser et tester sa théorie pour aboutir progressivement à la présentation moderne.
Une fois encore, l’histoire des sciences n’est pas celle d’un homme isolé.
C’est : une immense construction collective.
Puis Hertz fit apparaître les ondes
Maxwell avait prédit leur existence.
Il restait à les produire et à les détecter expérimentalement.
À la fin des années 1880, Heinrich Hertz réalise des expériences qui confirment l’existence des ondes électromagnétiques.
Quelques années plus tard, Branly, Lodge, Popov, Marconi et d’autres travailleront à leur détection et à leur utilisation pour communiquer.
L’électricité vient de conduire : aux ondes radio.
La suite, nous la connaissons bien sur F5KEE !
De Faraday à Hertz : l’induction devint théorie électromagnétique, puis les équations de Maxwell devinrent des ondes bien réelles.
De l’étincelle au multimètre
Regardons maintenant notre établi de radioamateur.
Nous y trouvons peut-être : une alimentation 13,8 V, un multimètre, des résistances, des condensateurs, des bobines, un transformateur, un fer à souder et : un transceiver.
Presque chaque objet raconte un morceau de cette histoire.
Nous mesurons des : volts, en hommage à Volta.
Les : ampères, en hommage à Ampère.
Des : ohms, en hommage à Ohm.
Les : coulombs, en hommage à Coulomb.
Et lorsque nous parlons de puissance, nous utilisons des : watts, en hommage à James Watt, même si son nom appartient d’abord à l’histoire de la puissance mécanique et de la machine à vapeur.
Notre vocabulaire technique est devenu : un petit musée de l’histoire des sciences.
Les lois que tout radioamateur finit par rencontrer
Quelques relations suffisent déjà à résoudre énormément de problèmes pratiques :
Loi d’Ohm
U = R × I
Elle relie tension, résistance et courant.
Puissance électrique
P = U × I
Elle permet notamment d’évaluer la puissance consommée ou fournie.
Effet Joule
P = R × I²
Il explique pourquoi conducteurs et résistances chauffent.
Lois de Kirchhoff
Courants au nœud : entrants = sortants
Tensions dans une maille : somme algébrique = 0
Elles permettent d’étudier des circuits complexes.
Faraday-Lenz
e = −dΦ/dt
Une variation du flux magnétique peut induire une tension.
Derrière ces quelques lignes se cachent : plusieurs siècles d’expériences.
Quand les étincelles devinrent des équations !
Revenons quelques instants auprès des premiers expérimentateurs.
Ils frottaient de l’ambre.
Du coup, ils produisaient des étincelles.
Ils observaient une aiguille bouger.
Ils approchaient un aimant d’une bobine.
Et parfois, ils ne savaient pas encore exactement : ce qu’ils venaient de découvrir.
Puis une mesure apparut.
Une relation fut trouvée.
Une équation fut écrite.
Et progressivement, l’électricité cessa d’être uniquement un phénomène spectaculaire.
Elle devint : prévisible.
Puis : calculable.
Et enfin : utilisable.
Coulomb nous apprit à mesurer les forces électriques.
Volta nous donna une source durable.
Ørsted relia courant et magnétisme.
Ampère étudia leurs interactions.
Ohm relia tension, courant et résistance.
Faraday transforma le magnétisme en électricité.
Lenz en précisa le sens.
Joule nous expliqua où partait l’énergie.
Kirchhoff nous permit de suivre courants et tensions dans les circuits.
Et Maxwell rassembla une grande partie de cette histoire dans une théorie qui allait conduire : aux ondes électromagnétiques.
La prochaine fois que vous prendrez votre multimètre et lirez : 13,8 V — 2,4 A — 5 Ω… regardez ces valeurs autrement.
Elles ne sont pas seulement des chiffres.
Elles racontent près de trois siècles d’expériences, d’erreurs, d’intuitions et de découvertes.
Et quelque part entre la pile de Volta, la bobine de Faraday et les équations de Maxwell…
les étincelles étaient devenues des équations.
