Les verres anciens s'électrisaient-ils mieux que ceux d'aujourd'hui ?
Par Christine Blondel et Bertrand Wolff
Une énigme : les attractions à grande distance obtenues au XVIIIe siècle avec de simples tubes de verre
Qui ne s’est pas amusé à attirer de petits bouts de papier avec une paille, un peigne ou une règle en matière plastique, électrisés par frottement ? En revanche, comme le montre la vidéo A la recherche du verre le plus "électrique", si l’on tente la même expérience avec une tige ou un tube de verre, l’effet d’attraction est, en général, très faible.
Aussi est-on surpris par les récits des expériences spectaculaires réalisées avec de simples tubes de verre frottés, dans les années 1730, par les savants Gray et Dufay. Il en est de même pour les effets impressionnants produits par les machines électriques de l’époque, machines à globes ou disques de verre frottés.
Ainsi Le Monnier, dans l’article Électricité (1755) de l’Encyclopédie, peut-il écrire :
On ignore quel est le plus électrique de tous les corps [...] mais il n'y en a pas dont les Physiciens se soient plus servis que du verre [...] ; & de toutes les matières qu'on peut employer pour le frotter, il n'y en a pas qui réussisse mieux que la main sèche, ou garnie d'un morceau de papier pour en absorber l'humidité. [Un simple tube de verre ainsi frotté] attire les corps légers à deux ou trois pieds.
Attirer "à deux ou trois pieds", c’est-à-dire à une distance de 60 à 90 centimètres, avec un simple tube de verre !
Dans les expériences de Gray, cette attraction peut même être transmise à plus de 200 mètres, à l’autre bout d’une corde conductrice soumise à l’influence électrique d’un tube de verre frotté.
Même avec les matières plastiques contemporaines qui s’électrisent le plus fortement (PVC, acrylique,…), on est loin d’obtenir des distances d’attraction aussi importantes.
La clé de l’énigme : la diversité des verres anciens et des verres modernes
Comme on peut le voir dans la vidéo A la recherche du verre le plus "électrique", la plupart des verreries modernes n’attirent les corps légers qu’à faible distance. Une verrerie Pyrex attire à plus grande distance, mais loin des 60 à 90 cm évoqués dans l’Encyclopédie. De fait les verres Pyrex ont une composition différente de celle des verres usuels.
Il existe en effet, aujourd’hui comme hier, une grande diversité de verres du fait de leurs compositions chimiques et de leurs procédés de fabrication qui ont beaucoup évolué au cours de l’histoire. Le constituant principal du verre est la silice, fournie par la fusion à haute température de sables très purs. Mais la plupart des verres d’usage courant, au XVIIIe siècle comme aujourd’hui, sont riches en éléments alcalins (sodium ou potassium) provenant des carbonates de sodium ou de potassium ajoutés au sable pour abaisser sa température de fusion. Ils retiennent à leur surface l’humidité de l’air, ou celle de la main de l’expérimentateur. Du fait de cette humidité, leur surface devient conductrice. Reliés à la terre par la main de l’expérimentateur, ils conservent mal leur charge électrique.
Quelles sortes de verres les électriciens du XVIIIe siècle, Hauksbee, Gray, Dufay, Nollet, Franklin et les autres utilisaient-ils ?
Dèjà en 1600, William Gilbert, dans son De Magnete, mentionne dans la première liste de corps "électriques", c’est-à-dire partageant avec l’ambre (elektron) la propriété, une fois frottés, d’attirer des corps légers, certains verres "en particulier les verres clairs et brillants, verre d’antimoine".
Au XVIIe siècle l’anglais Ravenscroft ajoute de l’oxyde de plomb dans la pâte de verre et transforme ainsi le verre en un cristal d'une grande transparence et d'une grande brillance, baptisé flint glass. Par ailleurs ce verre flint retient peu l'humidité. C'est ce type de verre au plomb, beaucoup plus coûteux que les verres ordinaires, qu’utilisent Hauksbee, Gray et Dufay.
En 1733 Dufay détaille :
Je mettrai encore dans la classe des corps électriques, les verres de toutes espèces, & de toutes couleurs, mais plus que tous le verre blanc & transparent, la porcelaine, la fayence, la terre vernissée, le verre de plomb, d'antimoine, de cuivre, enfin toutes les vitrifications. [Second mémoire sur l’électricité]
Un autre facteur essentiel pour la conservation de l’électricité à la surface des corps frottés est le séchage du verre avant les expériences. Dès 1706, Hauksbee échauffe le tube par le frottement :
J’ai pris un tube creux en flint glass, d’environ un pouce de diamètre et 30 pouces de long, que j’ai frotté assez vigoureusement avec du papier à la main jusqu’à ce qu’il ait acquis une certaine température : [il attirait alors] des feuilles de laiton] même à une distance de 9 ou 10 pouces ; et il semblait que plus le tube était échauffé par le frottement, plus il attirait loin. [Philosophical transactions, 1706]
Le problème du choix des verres se pose aussi pour la bouteille de Leyde, le premier condensateur, et pour les globes ou disques des machines électriques.
Dans la description que Musschenbroek donne en 1746 de la bouteille de Leyde, il précise que les verres anglais ou hollandais ne conviennent pas. Il faut "du verre d’Allemagne ou de Bohême", qui sont des verres au plomb.
Quant aux machines électriques, lorsque Nollet fait le bilan de l’expérience acquise en France et en Allemagne, il note que, là aussi "le crystal vaut mieux" que le verre commun.
Des savoirs devenus implicites pour les "électriciens" du XVIIIe siècle
Une fois les propriétés des différents verres produits en Europe bien connues, les expérimentateurs ne ressentent plus le besoin de les rappeler en permanence. Ainsi, après avoir précisé au début de ses recherches qu’il utilise du flint glass, Gray mentionne ensuite simplement "le tube", une centaine de fois, sans préciser sa nature [voir Lettres de Gray à Mortimer, Philosophical Transactions, 1731-1732] .
De même Dufay ne précise pas dans chaque mémoire s’il utilise du verre au plomb. Pour les "électriciens" du XVIIIe siècle, ce choix de verres particuliers est devenu implicite.
Pour obtenir aujourd’hui, dans les expériences d’attraction électrostatique, les mêmes effets qu’au XVIIIe siècle ou du moins s’en approchant, il faut utiliser des objets en matière plastique.
De même, pour obtenir la "terrible secousse", mieux vaut construire une bouteille de Leyde à l'aide d'une bouteille en plastique.
Les verres Pyrex, verres à l'oxyde de bore et pauvres en alcalins, sont de meilleurs isolants que les verres ordinaires, mais ils ne rivalisent pas avec le flint glass.
Des prescriptions finales partagées
Au XVIIIe siècle, savants et constructeurs de machines électriques partagent les prescriptions suivantes :
- préférer les verres au plomb comme le flint glass.
- utiliser des verres très propres, soigneusement séchés à haute température.
- dans les expériences d’attraction de corps légers, utiliser de longs tubes de verre, tenus par une main bien sèche placée à longue distance de l’extrémité frottée.
Pour en savoir plus
ASSIS Andre Koch Torres, The Experimental and Historical Foundations of Electricity, volume 2.
Chapitre 4.3 Old and modern glasses, chapitre 12 The Leyden jar
Une bibliographie de "sources secondaires" sur l'histoire de l'électricité