L'électricité est partout autour de nous. Chaque substance sur la Terre – de celle faite en papier sur laquelle on imprime des livres jusqu'à l'air qu'on respire – est constituée de petites particules appelées les électrons qui gravitent à une grande vitesse autour du noyau. Dans certaines conditions ces électrons peuvent circuler entre les atomes et produire de l'électricité.
image 1. Autour du noyau de carbone, les électrons circulent à grande vitesse
image 2. Sous certaines conditions les électrons « partent » d'un atome à l'autre.
Il y a très longtemps les philosophes grecs étaient conscients du pouvoir de l'électricité statique. C'est seulement au 18ème et au 19ème siècles que les scientifiques ont commencé à comprendre l'électricité et à créer des conditions pour sa production et son utilisation.
Les succès des premiers pionniers scientifiques sont tels qu'il est impensable même aujourd'hui d'imaginer le monde sans électricité. L'humanité dépend de l'électricité surtout quand il s'agit du chauffage, de l'éclairage et de la mise en marche des machines. Sans électricité on n'aurait pas d'ordinateurs, de radio, de télévisions, ou de fusées. C'est pourquoi on doit avouer que l'électricité fait bouger le monde moderne et ce sera probablement comme cela encore longtemps avant de trouver d'autres types d'énergie qui changeraient notre monde partiellement ou entièrement.
L'électricité statique a attiré la curiosité des gens pendant de longs siècles. Le philosophe grec Thalès a constaté qu'après avoir frotté un bout de résine contre de la soie ou un autre objet léger, les 2 matières s'attiraient. Aujourd'hui on sait que ce sont les électrons qui produisent le fait d'attraction. Ce genre d'électricité s'appelle électricité statique car l'électrisation est retenue dans le corps électrisé jusqu'à ce qu'on ne trouve pas le moyen de la neutraliser ou de la faire « fuir ».
Expérience 1. Un peigne électrisé attire les cheveux, les bouts de papiers et la soie...
Dans la nature, on trouve un phénomène spectaculaire de décharge électrique qui s'appelle le tonnerre. Les courants d'air qui s'élèvent et qui tombent produisent un frottement à l'intérieur du nuage orageux ce qui mène à la production d'électricité dans le nuage même. Quand l'électrisation atteint un niveau suffisamment élevé, il provoque le tonnerre qui accompagné d'un vacarme provoque une grande étincelle et se dirige vers le sol.
image 3. L'éclair accompagné de tonnerre est une étincelle géante qui « saute » entre les pôles électrisés de deux nuages ou entre un nuage et le sol
image 4. Quelques éclairs issus d'un grand orage
Le courant électrique est représenté par le mouvement des électrons, d'un point qui est saturé d'électrons vers un autre qui ne l'est pas. Le circuit de l'électricité à travers les fils est contrôlé et il nous procure de la lumière, du chauffage à la maison, de l'énergie électrique dans les usines. On produit l'électricité dans les centrales hydrauliques par le biais de divers appareils, elle se transforme en chaleur, en lumière ou en travail.
image 5. Le mouvement des électrons image
6. Le courant électrique image
7. Une ampoule image
8. Une ville éclairée
image 9. Radio
image 10. Le disque gravé d'un ordinateur
Le magnétisme a obtenu son nom d'après le minerai « la magnétite » de Magnésie en Turquie du Nord. Il y a plus de 2000 ans, les Grecs ont découvert que les bouts de magnétite attiraient certains métaux. L'aimant que nous connaissons aujourd'hui se comporte de la même manière que la magnétite. Il y a diverses sortes d'aimants : en forme de fer à cheval ou aimant en U, de barre ou aimant circulaire-aimant en couronne. L'aimant qui a la forme d'une barre à deux pôles : le nord et le sud. Les pôles nord et sud des deux aimants s'attirent et en même temps s'écartent en se repoussant mutuellement. Autour de l'aimant existe un champ magnétique.
image 11. Aimant en forme de fer à cheval ou aimant en U
image12. Aimant en forme d'une barre
image 13. Aimant circulaire ou aimant en couronne
image 14. Champ magnétique d'un aimant qui a la forme d'une barre
Expérience 2. Divers aimants et les pailles, leur attraction et répulsion
La Terre a son champ magnétique qui atteint son niveau le plus fort au pôle Nord et au pôle Sud. L'aiguille de la boussole magnétique se positionne du Nord vers le Sud et s'utilise comme aide dans la navigation.
image 15. La Terre et la boussole
De nombreuses machines, de nombreux systèmes d'allumage de voitures ou de moteurs électriques (comme le mixeur, la machine à laver le linge, la dynamo pour les vélos ou la génératrice des bicyclettes, etc.) utilisent les caractéristiques de l'aimant. Les cassettes audio et vidéo ont été recouvertes d'une fine couche de matière magnétique.
L'électromagnétisme relie l'électricité qui circule à travers le fil électrique à un phénomène du champ magnétique autour de ce fil. Ce phénomène s'utilise pour la production d'électricité et le fonctionnement des moteurs. Le changement de position de l'aimant au voisinage de la bobine crée de l'électricité dans le fil. La direction du circuit dépend de la direction de l'aimant. Quand l'aimant se déplace dans un sens et se déplace dans l'autre sens, le courant électrique change et va en sens opposé.
image 16. Bobine et un aimant
image 17. En bougeant l'aimant vers le haut on produit le courant électrique
image 18. En déplaçant l'aimant du haut vers le bas on produit de l'électricité et le courant circule et il circule maintenant dans le sens opposé
Quand l'électricité circule à travers un électroaimant on produit ce qu'on appelle un champ magnétique dont la puissance dépend du nombre de spirales ou anneaux dans la bobine et de l'intensité du courant électrique. Ce champ magnétique peut être modifié.
image 19. Une grue électromagnétique qui fonctionne sur le principe du champ électromagnétique
image 20. Les trains de Maglev utilisent cette caractéristique pour circuler. En Allemagne et au Japon les trains expérimentaux Maglev atteignent une vitesse de plus de 400km/h
Les générateurs ont des bobines qui tournent dans le champ magnétique autour d'un axe fixé à la turbine. Tandis que l'axe tourne il crée un courant électrique qui peut être un courant continu ou alternatif (tout dépend comment le générateur est relié). Les générateurs sont reliés à l'axe des turbines qui sont actionnées par la vapeur d'eau, l'eau ou la combustion des gaz.
image 21. Générateur à courant continu
image 22. Génératrice des bicyclettes qui produit de l'électricité, pendant que la roue tourne.
Les moteurs électriques transforment l'énergie électrique en mouvement/propulsion. Aujourd'hui des millions et des millions de moteurs électriques, grands ou petits assurent le fonctionnement de nombreux appareils (magnétophones, jouets, mixeurs, ventilateurs ou véhicules électriques)
image 23. Moteur électrique qui fait fonctionner un jouet
Nikola Tesla – le scientifique qui a éclairé le monde
Nikola Tesla, notre plus grand scientifique et constructeur, est né le 10 juillet 1856 à Smiljane (en Autriche, aujourd'hui République de Croatie) dans la famille de Milutin et Georgina Tesla. Son père était un prêtre orthodoxe et il a voulu que son fils devienne prêtre aussi et qu'il continue la longue tradition familiale. Mais Nikola Tesla deviendra un ingénieur et un inventeur dont les inventions serviront pour le bienfait de l'humanité.
Tesla a fait ses études à Smiljane, à Gospic, à Karlovci, à Graz en Autriche et à Prague. En Europe il a vécu et travaillé à Maribor, à Budapest, à Paris et à Strasbourg. A partir du juin 1884 il a vécu et travaillé à New York, aux USA, où il a réalisé toutes ses inventions et ses découvertes.
Inventions et découvertes de Nikola Tesla
Il est difficile de dénombrer toutes les inventions de Nikola Tesla qui aujourd'hui représentent les objets tout à fait ordinaires de notre vie quotidienne et on ne peut pas imaginer notre vie sans eux. Ses inventions sont entrées dans chaque maison de cette planète. Chacun de nous peut avec la télécommande changer de chaîne à la TV, allumer une ampoule avec un interrupteur, un frigo, une cuisinière, un radiateur, utiliser la radio. Ce sont des inventions de Tesla. Grâce à son travail, il a changé la vie des gens sur cette planète. Il a créé des tonnerres artificiels, des tremblements de terre, des robots… Sans ses inventions, toutes les usines et centrales s'arrêteraient de fonctionner, ainsi que les machines, les trains, les avions, bateaux, fusées, satellites. On n'aurait pas de radios, de télévisions, d'ordinateurs…La base de toutes ses inventions était l'esprit d'un visionnaire et un énorme travail, c'est la raison pour laquelle nous pouvons dire qu'il était en avance sur son temps.
Il a offert à l'humanité plus de 120 découvertes brevetées comme : le transfert de l'énergie électrique à 2 phases, à 3 phases, le champ magnétique, le moteur à induction, transformateur à oscillation et les appareils de hautes fréquences, les courants électriques de Tesla à haute fréquence, les turbines, les pompes, la transmission des ondes sans fils, les transformateurs de courants électriques et autres. La plupart de ses inventions n'ont pas été compris même par les savants de cette époque.
Le moteur à induction de Tesla est à la base de toute industrie moderne. La façon dont on produit et utilise l'énergie électrique a été inventée grâce à lui ainsi que la transmission du courant alternatif et la transmission de l'énergie même qui nous a permis de l'utiliser pour faire fonctionner les tramways, les trains électriques, les métros, les appareils ménager. Il a mis en place les fondements pour le fonctionnement de la radio et la TV, il a découvert la possibilité d'avoir le contrôle sur les fusées, les vaisseaux spatiaux, les satellites, grâce aux télécommandes. Grâce à ses idées on a développé les téléphones portables, les ordinateurs, Internet etc.
L'autobiographie de Tesla
En 1919, Tesla a écrit son autobiographie et elle représente le témoignage de son travail et de ses inventions. C'est son enfance qui a été la principale inspiration pour toutes ses inventions et il a consacré une attention particulière à cette période de sa vie dans l'autobiographie. Avant tout, son but était d'expliquer aux jeunes gens où résidaient les racines du succès et comment développer ses idées quand elles apparaissaient dans notre enfance. Ces leçons ressemblaient plutôt aux leçons que les personnes âgées transmettaient aux jeunes gens, mais elles ont également une valeur particulière, car elles venaient de la part d'un grand savant qui a réussi dans la vie faisant face à toutes les difficultés.
Enfance et études
« Quand je caressais le dos de mon chat, il se transformait en un espace lumineux et une pluie d'étincelles sortait de ma main. Mon père me disait que ne c'était que de l'électricité, c'est la même chose que tu vois sur les arbres pendant l'orage. Ma mère était inquiète et me disait d'arrêter de jouer avec mon chat, car je pourrais provoquer du feu et le griller vif. Tandis que moi, je réfléchissais d'une manière abstraite. Est-ce que c'est la nature des chats ? Si oui, qui les caresse sur le dos. C'est sûrement le Bon Dieu ! »
(explication – quand le chat est en état de repos, dans sa fourrure se trouve ce qu'on appelle un équilibre électrique. Si on le frotte il est en état de déséquilibre : les électrons circulent plus vite et provoquent une électrisation qui est accompagnée de petits craquements).
image 24. Illustration d'un chat
Tout près de sa maison natale à Smiljane, un petit ruisseau coulait et c'est justement lui qui, plus tard, aura une grande influence sur le travail de Tesla. Petit garçon, il avait l'envie d'utiliser la force du ruisseau et il avait construit toutes sortes de turbines à eau sur ses chutes. Il observait avec joie comment l'eau faisait tourner ses turbines.
Quand il a vu la photo des chutes du Niagara, Tesla avait dit à son oncle, qu'un jour il poserait une grande roue sur ces chutes et qu'il utiliserait leur puissance.
image 25. Image d'une des premières constructions des turbines de Tesla
Pendant ses études Tesla s'intéressait aux maths et à la physique. Il aimait tout spécialement connaître les lois physiques de la nature et résoudre les problèmes mathématiques. Il suivait avec grande attention les cours de ses professeurs, faisait des expériences pratiques, mais en même temps il lisait beaucoup et i consacrait son travail à la recherche. Pendant ses études en Autriche, il a eu le courage de présenter ses observations à un professeur de grande renommée qui lui a dit que son générateur n'était pas bon et qu'il fallait l'améliorer. Il le fera quelques années plus tard en réalisant le champ magnétique rotatif et en créant un moteur à rotor sous forme de disque.
Le travail de Tesla dans le domaine de l'énergie électrique
Des son arrivée en Amérique, Tesla a travaillé quelque temps chez Thomas A. Edison, l'un des plus grands inventeurs au monde. Apres avoir quitté l'usine d'Edison, il poursuit son œuvre de manière indépendante et réalise ses idées et ses inventions.
En collaboration avec ingénieur et industriel George Westinghouse, il développe son moteur à induction basé sur la découverte du champ magnétique à rotation. Le moteur à induction de Tesla donne d'excellents résultats et un nouvel essor au développement industriel.
Expérience 3. Présentation du modèle d'un moteur à induction avec son rotor en forme d' oeuf
La réalisation de la centrale hydroélectrique sur le Niagara et l'application du moteur à induction dans l'industrie sont les résultats les plus remarquables de ses travaux. La mise en place du système public d'alimentation en courant alternatif résultat des brevets de Tesla, marqué le début de la 2ème révolution technologique.
La construction des machines de la centrale hydroélectrique a débuté en 1893 et a été complétée en 1899. Sa mise en marche a eu lieu les 15 et 16 novembre 1996. Parmi les treize brevets mis en pratique dans la réalisation de cette centrale, neuf reviennent à Tesla.
La première transmission d'énergie électrique s'est produite depuis le Niagara jusqu'à la ville Bafalo située à 32 km. La mise en place du système public d'alimentation en courant alternatif a marqué le début de l'électrification moderne.
image 26. Un système moderne d'approvisionnement en énergie électrique transportant de l'énergie de la centrale jusqu'aux habitations et usines.
image 27. Le transformateur est un appareil qui transforme la tension du courant électrique – il la diminue ou il l'augmente.
image 28. Electricité transmise par les fils électriques qui sont posés sur les poteaux
A la fin du XIXème siècle, on ne faisait qu'entrevoir les nouvelles possibilités d'application de l'électricité. Tesla ainsi que de nombreux autres savants de cette époque tentaient de mettre au point une machine qui pourrait transmettre les ondes électromagnétiques dans les airs. Il a compris que les fréquences élevées présentaient de nombreux avantages techniques : les ampoules pourraient briller davantage, la transmission de l'énergie pourrait être plus efficace etc. Ce n'était pas tâche facile mais l'invention de la bobine, connue aujourd'hui sous le nom de « bobine de Tesla » a créé de nouvelles possibilités dans le domaine du courant à hautes fréquences et à haute tension. L'obsession de Tesla – la transmission de l'énergie sans fil – devenait désormais possible.
La majeure partie de l'énergie électrique est produite dans des centrales thermiques qui sont des « usines » où la chaleur se transforme en énergie électrique. Dans la plupart des centrales, la chaleur est obtenue par la combustion des énergies fossiles (charbon, fuel, gaz naturel). D'autres centrales utilisent la chaleur obtenue lors des réactions nucléaires pour produire de l'énergie électrique.
image 29. Centrale thermique au charbon, qui a huit tours de refroidissement
image 30. Une centrale nucléaire
image 31. L'intérieur d'une centrale thermique moderne où se trouvent des turbo génératrices qui produisent de l'énergie électrique
image 32. Réacteur nucléaire où se produit une fission nucléaire
Il existe d'autres moyens de faire marcher des générateurs électriques sans risque de pollution ou de catastrophes nucléaires. Ce sont des sources d'énergie naturelles que l'on appelle renouvelables (énergie solaire, vent, marées, l'énergie des rivières et des vagues)
image 33. Centrale hydraulique sur le fleuve Colorado
image 34. Dessin montrant comment l'eau fait tourner les turbines de la centrale
image 35. Turbine à vent ou éoliennes
image 36. Turbine à vent ou éoliennes
image 37. Centrale utilisant l'énergie géothermique
image 38. Centrale qui utilise l'énergie des vagues, construite en Ecosse
image 39. Image d'une centrale qui utilise l'énergie des vagues
image 40. Centrale qui utilise l'énergie des marées hautes et basses ou l'énergie marée motrice construite en France
Texte écrit par Bratislav Stojiljkovic, le conservateur du musée Nikola Tesla et traduit par Angelina Djordjevic
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