Amos
Dolbear
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Amos
Emerson Dolbear, est né le 10 novembre 1837 à
Norwich dans le Connecticut et mort le 23 février
1910, Dolbear
a étudié la conversion d'allumage électrique
en ondes sonores et impulsions électriques. |
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J'ai trouvé des traces imprécises ou contradictoires
comme :
- En 1865 Encore étudiant, Dolbear
envisage l'idée de développer un télégraphe
en remplaçant les batteries par des aimants permanents.
«Une tradition vivante» raconte que le Dr.Dolbear et un compagnon
ont installés des récepteurs et un fil du sous-sol à
l'étage supérieur de la Chapelle Thomson et la voix humaine
a été transmise, les premiers mots étaient «
Pouvez-vous m'entendre ? »
- En 1868 Amos Dolbear, alors professeur à Bethany College,
a inventé le «téléphone électrostatique».
Dolbear prétend avaoir
inventé le premier récepteur téléphonique
contenant deux fonctions du téléphone moderne (un aimant
permanent et une membrane métallique faite à partir d'un
ferrotype) en 1865, soit 11 ans avant qu'Alexander Graham Bell ait fait
breveter son modèle.
Dolbear ne pourra prouver sa réclamation, si bien que le brevet
de Bell est maintenu. Il perd devant la Cour suprême des États-Unis
(Dolbear contre American Bell Telephone Company). L'édition du
18 juin 1881 de la revue Scientific American rapporte : « si [Dolbear]
avait été attentif aux formalités du bureau des brevets,
il est possible que le téléphone parlant, aujourd'hui si
largement crédité à M. Bell serait recueilli parmi
ses propres lauriers ».
En 1874 Bell, attiré par l'idée de transmettre la voix, alors qu'il était en travaux sur le "Télégraphe Multiple", concrétise "Le Téléphone" en 1876.
En 1876, Dolbear brevette un téléphone électrique avec magnéto. Il fait breveter un téléphone statique en 1879 et en 1881 un téléphone électrostatique à condensateur2. En 1882, Dolbear était en mesure de communiquer sur une distance de 400 mètres sans fil en terre. Son dispositif s'appuie sur la conduction électrique dans le sol, qui est différente des transmissions radio ultérieures qui utilisent le rayonnement électromagnétique. Il reçoit un brevet américain pour un télégraphe sans fil en mars de cette même année. Son installation utilise des téléphones reliés au sol par des tiges métalliques plantées en terre. La portée de transmission est d'au moins 800 mètres. Il obtient un brevet pour cet appareil, le (en) Brevet U.S. 350299 [archive], en 18863,4 (il n'a pas breveté son système en Europe).
15 janvier 1876 Après
avoir fait parler son premier téléphone Brevet
174,465 , Bell dépose
un deuxième brevet US 186
787 : la box
Les avocats de Bell le pressent de rédiger des spécifications
et déposent à Washington le deuxième brevet sur le
téléphone incluant les différentes améliorations.
Il est attribué deux semaines plus tard sous le no US
186 787 dont voici une reproduction :
et 
( en pdf ) 
Ce téléphone volumineux est une encore une boite disgracieuse
(sauf pour les collectionneurs), de plus il n'y avait pas encore de dispositif
tel qu'une sonnerie ou un avertisseur sonore pour attirer l'attention
de la personne à la réception d'un appel. Il fallait taper
fortement avec un crayon sur le diaphragme ou hurler devant l'embouchure.
Son utilisation était désagréable: il fallait prendre
la boite et crier, puis la porter à l'oreille pour écouter.
Malgré ces problèmes, Bell et son groupe ont décidé
de commercialiser entièrement l'invention.
En 1877 Dolbear,
apporte deux améliorations importante au téléphone
de Bell
- l'utilisation d'aimants permanets dans les transmetteurs et les récepteurs,
ce qui permet de s'affranchir de la batterie dans le circuit.
- le remplacement de la menbrane par un disque en acier
C'est en septembre 1876 que lui vient cette idée mais il tarde
à la mettre en pratique.
En janvier 1876 Dolbear apprend que Bell a déposé une
demande le 15 janvier 1877 de brevet le concernant, mais ne donne
pas de suite sur ce point
Fin 1877 Dolbear édite son livre "The
Telephone" (voir en fin de page une traduction en français)
Reproduction 
Dolbear
Dépose un brevet le 6 Decembre 1877, TELEPHONE Patent
US 199 041 approuvé le 8 Janvier 1878
Bell avait
il été au courant de cette améloiration et en a t'il
tiré parti ?
Dolbear revendique l'invention du téléphone devant
les tribunaux, il ne pourra prouver sa réclamation.
Au procès les avocats de Dolbear ont eut la mauvaise idée
d'amener un téléphone de Reiss pour lui en donner la patérnité,
ce qui priverait Bell de ce privilége. Mais l'appareil refuse
de fonctionner. C'était encore un système de type télégraphique
à rupture du courant et non pas courant de modulation produit par
la voix.
Dans le jugement en 1883 le juge décrète que Bell a breveté
la véritable idée de transmission de la parole par l'électricité
....
Le brevet de Bell sera maintenu.
Pourtant l'édition du 18 juin 1881 de la revue "Scientific
American" rapporte : « si [Dolbear] avait été
attentif aux formalités du bureau des brevets, il est possible
que le téléphone parlant, aujourd'hui si largement crédité
à M. Bell serait recueilli parmi ses propres lauriers ».
Dolbear est un scientifique, il continuera longtemps
à travailer sur "la transmission du son"
Voici l'essentiel de ses travaux et brevets :
Le 30 Sept. 1979 Brevet US 220 205
"combinid speaking-telephone and morse sounder"
En 1881 Téléphone électrostatique à
condensateur, brevet US
239 742 A, 5 avril 1881
Brevet "Mode of Transmitting Sound by Electricity". US
240 578 26 Avr 1881
Article paru dans la revue SCIENCE pages 310 -12 et 13
En 1882, Dolbear était en mesure de communiquer sur une
distance de 400 mètres sans fil en terre.
Son dispositif s'appuie sur la conduction électrique dans le sol,
qui est différente des transmissions radio ultérieures qui
utilisent le rayonnement électromagnétique.
Il reçoit un brevet américain pour un télégraphe
sans fil en mars de cette même année.
Brevet SPECIFICATION TELEPHONE Patent No.
US 288 215, 13 Nov. 1883.
Brevet TELEPHONE RECEIVER Patent No US
355 149 28 Dec. 1886
Brevet MODE 0F ELECTRIC COMMUNICATIONPatent No
US350 299 5 Oct. 1886
Son installation utilise des téléphones reliés au
sol par des tiges métalliques plantées en terre. La portée
de transmission est d'au moins 800 mètres.
En 1899, le New England Wireless Telegraph
and Telephone Company, une filiale de la Wireless
Telephone and Telegraph Company américaine, achète
le brevet de 1886 de Dolbear et dépose une plainte contre Guglielmo
Marconi pour
contrefaçon dans une tentative infructueuse de concurrencer les
activités de télégraphie de Guglielmo Marconi aux
États-Unis. .
Toutefois, en mars 1901, un tribunal des États-Unis rejette la
poursuite.
En avril 1902, L'American Wireless lance une pétition
au Congrès pour prolonger le brevet de 1886 pour dix années,
mais sans succès, de sorte qu'il a dûment expiré le
4 octobre 1903.
En 1905, le tribunal de New York note en outre que le brevet de
Dolbear est « inopérant, et que, même s'il l'avait
été, il s'opère en vertu de lois et de phénomènes
électriques radicalement différents » de la radio
utilisée par Marconi.
Dolbear a également inventé un kaléidoscope
(un instrument de visualisation de vibrations d'ondes sonores, en utilisant
un miroir monté sur une membrane) et un système d'éclairage
à incandescence.
Il est aussi l'auteur de plusieurs livres, articles et brochures, et a
été reconnu pour ses contributions à la science à
la fois l'Exposition universelle de Paris et à la Crystal Palace
Exposition en 1882.
En 1897, Dolbear publie un article « Le cricket comme un
thermomètre » dans lequel il établit une corrélation
entre la température ambiante et la fréquence à laquelle
le grillon stridule, la formule développée dans cet article
est connue sous le nom loi de Dolbear.
sommaire
Dolbear a apporté de nombreuses inventions notables au monde scientifique,
notamment le téléphone, le gyroscope électrique utilisé
pour démontrer la rotation de la Terre, l’opéidoscope
et un nouveau système d'éclairage à incandescence.
Il a publié plusieurs livres, articles et brochures, y compris
"Matter, Ether, Motion", et a été reconnu pour
ses contributions à la science à l'Exposition de Paris en
1881 et à l'exposition Crystal Palace en 1882.
Livres
The Art of Projecting, Boston, 1876
The
Speaking Telephone, 1877
Sound and its Phenomena, 1885
First Principles of Natural Philosophy, Boston, 1897
Modes of Motion, Boston, 1897
Matter, Ether, and Motion
Articles de journaux
The Cricket as a Thermometer, The American Naturalist, vol. 31, no 371,
novembre 1897, p. 970–971, publié par l'University of Chicago
Press pour l'American Society of Naturalists
_______________________________________________________________________
SPECIFICATION forming part of Letters Patent No. US
350 299 dated October 5, 1886.
Application filed March 24, 1882. Serial No. 56,664. (No model.)
To all whom it may concern:
Be it known that I, AMOS EMERSON DOLBEAR, of Somerville, in the county of Middlesex and State of Massachusetts, have invented a new Mode of Electric Communication, of which the following is a full, clear, concise, and exact description, reference being had to the accompanying diagram, forming a part hereof.
My invention relates to establishing electric communication between two or more places without the use of a wire or other like conductor, and it consists in connecting the transmitting--instrument with a ground the potential of which is considerably above the normal, and the receiving--instrument with a ground the potential of which is considerably below the normal, the result being that an impulse from the transmitter sufficient to cause the receiver to give intelligible signals is transmitted through the earth without the need of any circuit, such as has heretofore been deemed essential.
In the diagram, A represents one place, (say Tuft's college,) and B a distant place, (say my residence.)
C is a wire leading into the ground at A, and D a wire leading into the ground at B.
G is a secondary coil, one convolution of which is cut, the ends thus formed being connected with the poles of the battery f', which has a number of cells sufficient to establish in the wire C1, which is connected with one terminal of the secondary coil G, an electro--motive force of, say, one hundred volts. G in this instance also represents an induction--coil, T being a microphone--transmitter, f its primary circuit, and f' its battery--that is, the battery f' not only furnishes the current for the primary circuit, but also charges or electrifies the secondary coil G and its terminals C and H'.
Now, if words be spoken in proximity to transmitter T, the vibration of its diaphragm will disturb the electric condition of the coil G, and thereby vary the potential of the ground at A, and the variations of the potential at A will cause corresponding variations of the potential of the ground at B, and the receiver R at B will reproduce the words spoken in proximity to transmitter T, as if the wires CD were in contact or connected by a third wire. Electric communication may be thus established between points certainly more than half mile apart; but how much farther I cannot now say.
There are various well--known ways of electrifying the wire C to a positive potential far in excess of a hundred volts and the wire D to a negative potential far in excess of a hundred volts.
In the diagram, H H' H1 represent condensers, the condenser H' being properly charged to give the desired effect. The condensers H and H1 are not essential, but are of some benefit; nor is the condenser H' essential when the secondary G is otherwise charged; I prefer to charge all these condensers, as it is of prime importance to keep the grounds of wires C and D oppositely electrified, and while, as is obvious, this may be done by either the batteries or the condensers, I prefer to use both.
The main difficulty in utilising my invention on a large scale is that when there are many spots corresponding to A and B signals transmitted from any A will go to the nearest B, or to several B's, depending upon proximity and other causes. One method of obviating this difficulty is to use a given A only during a certain assigned time for communicating with a certain B, the particular B being arranged to receive communications only during the assigned time. Thus, if there were ten B's within a given area, then the first B might be used for the first hour, the second B for the next hour, and so on, and the first A for the first five minutes of the first hour, the second A for the next five minutes, and so on, so that either one of the A's might have free communication with the first B, each for its assigned time during the first hour, and either A with the second B, each for its assigned five minutes of the second hour, and so on.
In practice there will be of course both a receiver and transmitter at A and B, proper switches being used to bring either into use, as will be well understood without description.
I have spoken only of telephone--instruments, as these give the best results; but any electric instruments may be used capable of utilizing the currents passing through the earth from C to D, and the strength of such currents can be largely increased by increasing the positive potential of C and the negative potential of D. It will also be obvious that if the end of coil G (shown in the diagram as connected with one armature of condenser H') be grounded, and the end shown grounded be connected with the condenser, then C will be minus, and D must therefore be made plus.
What I claim is--
The art above described of communicating by electricity, consisting in first establishing a positive potential at one ground and a negative at another; secondly, varying the potential of one ground by means of transmitting apparatus, whereby the potential of the other ground is varied; and, lastly, operating receiving apparatus by the potential so varied, all substantially as described.
AMOS EMERSON DOLBEAR.
Traduction de l'ouvrage 1877 LE TÉLÉPHONE
. Avec des instructions pour fabriquer un téléphone
parlant.
Phénomènes de l'électricité,
du magnétisme et du son,
COMME IMPLIQUÉ DANS SON ACTION.
AVEC DES INSTRUCTIONS POUR LA FABRICATION D'UN TÉLÉPHONE
PARLANT.
PAR LE PROF. AE DOLBEAR, DU TUFTS COLLEGE,
auteur de " L'Art de projeter ", etc.
BOSTON : LEE & SHEPARD, ÉDITEURS.
PRÉFACE.
Les expositions populaires du téléphone parlant au cours
des six derniers mois, ainsi que de nombreux articles de journaux, ont
créé un intérêt général pour
l'instrument ; et on a pensé qu'un petit livre explicatif de son
fonctionnement répondrait à un besoin du public.
Il a semblé nécessaire d'attirer l'attention sur les divers
phénomènes et interactions des forces en jeu ; c'est pourquoi
l'auteur a tenté de rendre clairs et intelligibles les phénomènes
de l'électricité, du magnétisme et du son. Des coupures
ont été insérées là où elles
pouvaient être utiles pour mieux comprendre les conditions mécaniques
; et un tableau de composition sonore a été ajouté.
conçu, qui montre en un coup d'œil les constituants des sons
de divers instruments de musique.
Comme j'ai inventé le téléphone parlant, dans lequel
des courants magnéto-électriques étaient utilisés
pour la transmission de la parole et d'autres types de sons, j'ai décrit
assez longuement mon premier instrument et j'ai également donné
des instructions explicites pour fabriquer un téléphone
parlant dont je sais, par essai, qu'il est aussi efficace que tout ce
qui a été fabriqué jusqu'à présent
; mais rien dans le livre ne doit être considéré comme
une dédicace de l'invention au public, car des mesures ont déjà
été prises pour obtenir des lettres de brevet conformément
aux lois des États-Unis.
AE Dolbear.
College Hill, Massachusetts
LE TÉLÉPHONE.
ÉLECTRICITÉ.
Certains phénomènes électriques se manifestent à
une échelle si grande qu'ils attirent l'attention de tous. Ainsi,
la foudre, qui accompagne tant d'averses par temps chaud sous presque
toutes les latitudes, a toujours suscité chez certains une crainte
superstitieuse, perçue comme une manifestation d'activité
surnaturelle ; et il est probable que chacun ressente plus ou moins de
terreur lors d'un orage, car elle affecte simultanément de nombreux
sens. L'éclair peut être aveuglant s'il est proche de nous
; le tonnerre peut être assourdissant pour les oreilles, et si puissant
qu'il ébranle les fondations des collines et fait bouger sensiblement
le sol sur lequel nous nous tenons ; ces phénomènes, avec
le souvenir, sont liés aux effets destructeurs observés,
tels que des bâtiments démolis et de grands arbres arrachés
en un instant, suffisent amplement à susciter un sentiment de terreur
chez les esprits les plus résistants. Dans les régions polaires,
au nord comme au sud, où les orages sont moins fréquents,
l'électricité atmosphérique prend la forme appelée
aurore boréale ou australe, selon qu'elle est observée au
nord ou au sud de l'équateur.
Il y a plus de deux mille ans, les Grecs remarquèrent qu'un certain
type de minéral, rejeté sur les côtes de la Méditerranée,
attirait, lorsqu'on le frottait, des corps légers, tels que des
lambeaux de soie ou de lin et des morceaux de papier. Ils donnèrent
à cette substance le nom d'électron, et la propriété
ainsi développée par frottement fut plus tard appelée
électricité. En 1600, le Dr Gilbert, médecin de la
reine Élisabeth, publia un ouvrage dans lequel il décrivait
de nombreuses expériences démontrant que l'électricité
pouvait être produite par frottement sur une grande variété
de substances, telles que des pierres, des gemmes et des résines.
La première machine à produire de l'électricité
fut construite par Otto von Guericke de Magdebourg, vers 1680. Sa machine
consistait en une boule de soufre d'environ quinze centimètres
de diamètre, qu'on pouvait faire tourner. Si l'on approchait la
main sèche contre la boule de soufre pendant qu'elle tournait dans
une pièce sombre, la sphère semblait émettre de la
lumière ; elle produisait également un sifflement ou un
crépitement particulier. Newton fit quelques expériences
avec l'électricité et remarqua que le caoutchouc était
un élément important dans le développement de l'électricité.
Il ne semble pas avoir accordé à ce sujet la même
attention qu'à d'autres branches de la science. S'il l'avait fait,
il est probable qu'il aurait avancé son étude de cent ans
; autrement dit, il l'aurait probablement laissée là où
elle en était en 1790. Ses capacités étaient si grandes
qu'en une seule vie, il apporta à la connaissance humaine plus
d'avancées que toute l'humanité n'en avait fait au cours
du millénaire précédent. Au mois de juin 1752, Franklin
réalisa l'expérience mémorable qui l'immortalisa.
Il lança son cerf-volant vers le nuage d'orage, posant pratiquement
la question à la foudre de savoir si elle était identique
à l'électricité. L'éclair descendit de la
ficelle mouillée jusqu'à sa main et proclama son identité.
Pendant les quarante années qui suivirent, les naturalistes d'Europe
et d'Amérique ne firent qu'analyser les changements sur ce qui
était connu. Ils lancèrent des cerfs-volants vers les nuages
; ils fabriquèrent et chargèrent des bouteilles de Leyde,
les décharges à l'aide de fils, de chaînes et de circuits
de mains jointes ; ils étudièrent les attractions et les
répulsions manifestées par les corps électrifiés
; mais ils n'ajoutèrent rien d'important en termes d'expériences.
En 1791, Galvani, professeur d'anatomie à Bologne, annonça
une manifestation de l'électricité nouvelle et remarquable,
prenant son origine dans les muscles des animaux, et qui fut ainsi appelée
électricité animale. Il avait préparé des
cuisses de grenouilles pour les manger ; par hasard, elles furent placées
près d'une machine électrique avec laquelle Galvani effectuait
des expériences, de sorte qu'une étincelle parvenait occasionnellement
aux jambes, qui se contractaient alors aussi souvent qu'une étincelle
les touchait. Ce mouvement fut observé pour la première
fois par sa femme, qui attira son attention sur le phénomène
; et il découvrit très vite que les cuisses d'une grenouille,
écorchées et suspendues, constituaient un excellent électroscope.
C'est en expérimentant de cette manière qu'il en fabriqua
un autre et une découverte plus importante ; à savoir, que,
lorsque les muscles et les nerfs de la patte de grenouille étaient
touchés par des morceaux de deux métaux différents,
la patte se contractait comme auparavant. Alexandre Volta, un autre professeur
italien, inventeur de l'électrophore et doté d'une grande
habileté expérimentale, tourna alors son attention vers
l'expérience de Galvani et découvrit très vite que
l'origine de l'électricité qui mouvait les pattes de grenouille
ne se trouvait pas dans les pattes elles-mêmes, mais dans les métaux
utilisés. La première forme de pile galvanique, appelée
pile voltaïque, résulta des recherches de Volta. Cette pile
était constituée de disques alternés de zinc, de
flanelle et de cuivre, empilés les uns sur les autres en succession
constante dans cet ordre. La flanelle était humidifiée avec
du sel et de l'eau, ou avec de l'acide sulfurique dilué. Lorsque
le premier zinc était relié au dernier cuivre au moyen d'un
fil, un puissant courant électrique était obtenu. Cette
forme de pile n'est plus du tout utilisée aujourd'hui, car des
moyens beaucoup plus efficaces sont connus pour produire de l'électricité
; mais cela en 1800, quand cela fut connu pour la première fois
en Angleterre, était très surprenant, et c'était
une de ces surprises qui ont été si fréquentes depuis
lors dans l'histoire de l'électricité.
Sir Humphry Davy réalisa des choses surprenantes grâce à
une grande pile voltaïque. L'eau fut décomposée, et
les métaux potassium et sodium furent d'abord séparés
de leurs composés par l'oxygène. Bonaparte avait offert
un prix de soixante mille francs " à celui qui, par ses expériences
et ses découvertes, ferait progresser la connaissance de l'électricité
et du galvanisme autant que Franklin et Volta ", et de trois mille
francs " pour les meilleures expériences réalisées
chaque année sur le fluide galvanique ". Ce dernier prix fut
décerné à Davy.
Après les succès de Davy en 1806, aucune avancée
expérimentale significative n'a été apportée
à la connaissance de l'électricité, jusqu'en 1820,
lorsqu'Oersted de Copenhague a annoncé que " le fil conducteur
d'un circuit voltaïque agit sur une aiguille magnétique ",
et que l'aiguille tend à se placer à angle droit par rapport
au fil. C'était un type d'action totalement inattendu. Cette observation
était de la plus haute importance ; et aussitôt, les philosophes
d'Europe et l'Amérique s'est alors attachée à étudier
ce nouveau phénomène. Les lois du mouvement de l'aiguille
aimantée soumise à un courant électrique traversant
un fil ont été étudiées avec succès
par M. Ampère, de l'Académie française. Il a observé
que lorsqu'un fil traversé par un courant électrique était
maintenu parallèlement à une aiguille aimantée libre
de se déplacer, donc pointée vers le nord, si le courant
se dirigeait vers le nord, le pôle nord était dévié
vers l'ouest ; s'il se dirigeait vers le sud, le pôle sud de l'aimant
était dévié vers l'ouest ; et que, dans tous les
cas, l'aimant avait tendance à se placer à angle droit par
rapport au courant ; et que ce déplacement angulaire dépendait
de l'intensité du courant. C'est ainsi qu'est né le galvanomètre
, un instrument qui non seulement détecte l'existence d'un courant
électrique, mais permet également d'en déterminer
la direction et l'intensité. Notre connaissance actuelle des lois
de l'électricité est due, en grande partie, aux observations
faites avec cet instrument. Bien sûr, il a été considérablement
modifié et sa sensibilité a été rendue presque
incroyablement élevée. Cependant, dans tous les galvanomètres,
le principe fondamental impliqué dans leur structure est celui
de l'action d'un courant électrique sur un aimant, qui a été
remarqué pour la première fois par Oersted.
AIMANTS.
Nicandre raconte que parmi les bergers qui gardaient leurs troupeaux sur
les flancs du mont Ida, un certain Magnès remarqua que, tandis
qu'il menait ses troupeaux au pâturage, sa houlette adhéra
à certains rochers. Certains ont supposé que le nom d' aimant
provenait du nom de cet homme. On pense cependant généralement
qu'il tire son nom de l'ancienne cité de Magnésie, en Asie
Mineure, près de laquelle l'aimant, ou substance magnétique,
a été découvert. Cette roche, qui possède
la remarquable propriété d'attirer et de retenir de petits
morceaux de fer ou d'acier, est aujourd'hui reconnue comme l'un des minerais
de fer et est appelée magnétite par les minéralogistes.
Le fer est chimiquement combiné à l'oxygène et constitue
72,5 % de son poids. Il existe un autre minerai de fer, l'hématite,
qui contient 70 % de fer ; mais la différence de deux et demi pour
cent de fer dans le minerai suffit à faire la différence
entre une substance magnétiquement inerte et une substance capable
de soulever une masse de fer égale à plusieurs fois son
propre poids.
On dit que Sir Isaac Newton portait à la bague une petite pierre
d'aimant pesant trois grains, capable de soulever sept cent cinquante
grains, soit deux cent cinquante fois son propre poids. L'aimant le plus
puissant connu actuellement appartient à M. Obelliane de Paris.
Il peut soulever quarante fois son propre poids. Cependant, les grosses
pièces ne supportent pas des poids proportionnellement plus importants,
rarement plus d'une ou deux fois leur propre poids.
Il existe dans de nombreux endroits du monde d'immenses gisements de minerai
de fer magnétique. On en trouve dans la région des Adirondacks,
au nord de l'État de New York, et dans le comté de Chester,
en Pennsylvanie. Les célèbres mines de fer de Suède
en sont constituées, et la Laponie en compte plusieurs grandes
montagnes. Il ne faut pas en déduire que, du fait que ce minéral
soit appelé magnétite, tous les spécimens possèdent
la propriété appelée magnétisme. Les grandes
masses manifestent rarement une telle force, pas plus que les morceaux
ordinaires de fer ou d'acier ; pourtant, n'importe laquelle d'entre elles
sera attirée par un aimant, tout comme le fer. Les aimants indigènes
les plus puissants se trouvent en Sibérie et dans le Hartz, une
chaîne de montagnes du nord de l'Allemagne.
Lorsqu'un morceau de ce minerai magnétique est placé dans
une masse de limaille de fer, on constate que la limaille y adhère
en plus grande quantité sur deux côtés opposés,
appelés pôles de l'aimant. Si le morceau est suspendu à
une corde de manière à pouvoir tourner librement, il s'immobilisera
invariablement avec le même pôle orienté vers le nord
; ce pôle est donc appelé pôle nord de l'aimant, et
l'action est appelée action directrice. Cette action directrice
était connue des Chinois il y a plus de trois mille ans. Pour traverser
les vastes steppes de Tartarie, ils utilisaient des chariots magnétiques,
sur lesquels était représentée la silhouette d'un
homme dont le bras mobile et tendu pointait toujours vers le sud. Le Dr
Gilbert affirme que la boussole a été apportée de
Chine en Italie en 1260, par un voyageur nommé Paulus Venetus.
Lorsqu'un morceau d'acier trempé est frotté sur un aimant
naturel, il acquiert la même propriété directrice
; et, comme l'acier pouvait être facilement façonné
pour une forme pratique, une aiguille en acier a généralement
été utilisée pour l'aiguille d'une boussole. Le pouvoir
directeur de l'aimant a été et est toujours d'une valeur
inestimable pour toutes les nations civilisées. La navigation océanique
serait impossible sans lui, et les frontières territoriales sont
fixées grâce à lui ; mais il existe d'autres propriétés
et les relations d'un aimant, qui ont été découvertes
au cours des cinquante dernières années, qui sont destinées
à être aussi importantes pour l'humanité que celles
de la boussole.
En 1825, William Sturgeon, de Woolwich, en Angleterre, découvrit
que si l'on enroulait un fil de cuivre autour d'un morceau de fer doux
et qu'on y envoyait un courant électrique, le fer doux deviendrait
un aimant, mais ne conserverait son magnétisme que pendant la durée
du passage du courant électrique dans la bobine. Le magnétisme
ainsi développé fut appelé l'électromagnétisme,
et le fer ainsi enroulé fut appelé électroaimant.
Le premier électroaimant fut fabriqué en enroulant du fil
nu sur du fer doux. Cette méthode ne permet pas de produire des
aimants très puissants. En 1830, le professeur Henry isola le fil
en le recouvrant de soie et fut le premier à produire des aimants
puissants.
Sur une barre de fer doux de cinquante-neuf livres, il utilisa vingt-six
bobines de fil, treize sur chaque pied, toutes reliées à
un conducteur commun par leurs extrémités opposées,
et mesurant au total sept cent vingt-huit pieds. Cet appareil s'avéra
capable de supporter un poids de deux mille cinq cents livres. Cet électro-aimant
appartient aujourd'hui au Yale College.
La puissance de l'électro-aimant est infiniment supérieure
à celle de n'importe quel aimant permanent. Un aimant permanent
fabriqué par Jamin à Paris, composé de nombreuses
bandes d'acier minces assemblées et pesant deux kilos, peut supporter
un poids de cinquante kilos ; mais le Dr Joule a fabriqué un électro-aimant,
en disposant avantageusement les bobines, capable de supporter trois mille
cinq cents fois son propre poids, soit cent et quarante fois la charge
proportionnelle de l'aimant annulaire de Sir Isaac Newton.
LA BATTERIE GALVANIQUE.
La forme originale de la pile galvanique, conçue par Volta et peu
modifiée pendant trente ans, consistait en une cellule contenant
un fluide, généralement de l'acide sulfurique dilué,
dans lequel étaient immergées deux plaques de métaux
différents : les métaux utilisés étaient généralement
des plaques de zinc et de cuivre, ou de zinc et d'argent. Ces plaques,
une fois plongées dans le liquide, produisent un courant électrique
de très bonne qualité ; mais sa durée de vie est
limitée. La raison en est simple à comprendre. Chaque fois
qu'un courant électrique est généré par l'action
chimique d'un liquide sur deux métaux différents, une certaine
décomposition du liquide se produit, et cette décomposition
se produit sur les plaques elles-mêmes. Les gaz libérés
adhèrent aux plaques et empêchent tout contact ultérieur
avec l'acide. Parallèlement, les gaz agissent sur les plaques et
génèrent un courant électrique en sens inverse. Ceci
interfère évidemment avec la première réaction
du courant ; et très vite, la batterie devient inutilisable tant
que les plaques n'ont pas été retirées du liquide.
Ce processus physico-chimique qui se produit dans une telle batterie est
appelé polarisation des plaques .
La figure ci-jointe permettra de comprendre les actions qui se déroulent
dans une cellule de batterie du type mentionné. Soit Pt une plaque
de platine et Zn une plaque de zinc, toutes deux placées dans un
récipient contenant de l'acide chlorhydrique, également
représenté par les symboles HCl. Ces molécules étant
extrêmement minuscules, elles seront naturellement très nombreuses
entre les plaques. Celles-ci seront alors reliées par un fil électrique
circulant dans l'air. Dès que ces conditions seront remplies, un
sifflement se fera entendre de la cellule, on verra des bulles de gaz
s'élever de la plaque de platine : l'analyse révèle
que ces bulles sont des bulles d'hydrogène. Simultanément,
le zinc commencera à se dissoudre, formant ce que l'analyse révèle
être du chlorure de zinc ; et simultanément, un courant électrique
parcourra le fil, du platine au zinc. La quantité d'électricité
ainsi générée est strictement proportionnelle à
la quantité d'hydrogène libérée, elle-même
proportionnelle au poids de zinc dissous ; et celui-ci, à son tour,
est proportionnel à la surface des métaux exposés
à l'action de l'acide. Or, dans des circonstances comme celles
décrites ci-dessus, l'hydrogène libéré adhère
fortement au platine, car il n'y a rien avec quoi il puisse s'unir chimiquement
; la plaque sera donc très vite visiblement recouverte de bulles,
que l'on pourra gratter avec une plume ou un coton-tige, mais le même
phénomène se reproduira.
Ce revêtement de bulles empêchera l'acide de toucher la plaque,
et diminuera ainsi pratiquement la surface de celle-ci ; mais la quantité
d'électricité générée étant
proportionnelle à la surface exposée à l'action chimique,
on comprendra immédiatement comment une telle polarisation des
plaques doit bientôt amener la batterie à l'arrêt.
En 1836, le professeur J.F. Daniell de Londres a mis au point une pile,
appelée cellule Daniell. Dans cette pile, le métal (cuivre)
sur lequel l'hydrogène avait été libéré
était séparé du zinc par une cellule poreuse. Le
zinc était immergé dans de l'acide sulfurique dilué,
et le cuivre dans une solution acide de sulfate de cuivre (sulfate de
cuivre). La coupelle poreuse n'empêchait ni le passage de l'électricité,
ni la décomposition ; mais l'hydrogène, qui aurait alors
été libéré au niveau de la plaque de cuivre,
s'unissait immédiatement à l'oxygène qu'il obtenait
en décomposant le sulfate de cuivre. De l'eau se formait alors
et du cuivre se déposait sur la plaque de cuivre ; et, étant
un excellent conducteur, la pile maintenait une forte activité
pendant longtemps.
M. Grove, également de Londres, a inventé en 1839 une batterie
qui porte toujours son nom, dans laquelle la plaque d'hydrogène
est en platine immergée dans de l'acide nitrique fort, enfermée
également dans une cellule en terre poreuse ; et celle-ci, à
son tour, est plongée dans un récipient contenant de l'acide
sulfurique dilué et du zinc. Dans ce cas, l'hydrogène libéré
décompose immédiatement l'acide nitrique, qui se sépare
facilement de son oxygène ; comme dans l'autre cas, il se forme
de l'eau, et l'acide nitrique perd de sa résistance. Des bandes
de carbone ont remplacé le platine, ce qui donne le nom de pile
Bunsen. Elle ressemble par ailleurs à la pile Grove : elle produit
un courant très puissant et constant, et c'est grâce à
l'utilisation de l'une ou l'autre de ces piles que la plupart des expériences
en électricité sont réalisées dans les établissements
d'enseignement et, jusqu'à récemment, la plupart étaient
utilisées à des fins télégraphiques.
AUTRES MOYENS DE PRODUCTION D'ÉLECTRICITÉ.
THERMO-ELECTRICITE.
Si deux bandes de métaux différents, comme l'argent et le
fer, sont soudées ensemble à une extrémité,
et que l'autre extrémité est connectée à un
galvanomètre, en chauffant la jonction soudée des métaux,
on constate qu'un courant électrique traverse le circuit du fer
à l'argent. Si d'autres métaux, de même taille et
soumis au même degré de chaleur, sont utilisés, le
courant électrique ainsi généré produira une
déviation plus ou moins importante, qui sera constante pour les
métaux employés. Les deux métaux généralement
employés sont le bismuth et l'antimoine, en barres d'environ 2,5
cm de long et 0,6 cm de côté. Celles-ci sont soudées
en série de manière à présenter les extrémités
des barres comme faces, et celles-ci comptent souvent jusqu'à cinquante
paires. Une telle série est appelée thermopile. Cette méthode
de la production d'électricité a été découverte
par Seebeck de Berlin en 1821, mais la thermopile si utilisée aujourd'hui
dans les recherches sur la chaleur a été inventée
par Nobili en 1835. La force de ce courant n'est pas très grande,
une seule cellule Daniell étant égale à neuf paires
de la combinaison la plus forte jamais découverte, à savoir
le sulfure artificiel de cuivre avec de l'argent allemand.
MAGNÉTO-ÉLECTRICITÉ.
Il a déjà été mentionné qu'Oersted
avait découvert qu'un aimant, lorsqu'il était libre de tourner,
avait tendance à se placer à angle droit par rapport à
un fil parcouru par un courant électrique, démontrant ainsi
une interaction entre l'électricité et le magnétisme
; mais il restait à Faraday à découvrir le fait inverse,
à savoir qu'un aimant se déplaçant sur un fil, dont
les extrémités étaient reliées à un
galvanomètre ou fermées d'une autre manière, provoquait
un courant électrique dans le fil, dont la direction dépendait
de celle du mouvement de l'aimant. Si le fil était enroulé
en hélice creuse, l'aimant, en se déplaçant à
travers l'hélice, se déplaçait transversalement,
c'est-à-dire à droite, à tous les tours de l'hélice
; et chaque tour complet est ajouté à l'intensité
du courant. Ceci sera compris en se référant au schéma
de la figure 2. Soit G un galvanomètre connecté aux fils
d'une hélice ; NS un barreau aimanté permanent. Si l'aimant
est enfoncé dans la bobine, un courant électrique traversera
l'hélice, le fil et le galvanomètre, et l'aiguille indiquera
sa direction. Si l'aimant est retiré, un courant se déplacera
en sens inverse dans tout le circuit. L'électricité ainsi
produite est dite induite. La quantité d'électricité
pouvant être ainsi induite est quasiment illimitée, dépendant
de la taille et de la force de l'aimant, de la taille du fil et de sa
longueur dans la bobine. Il existe aujourd'hui de nombreuses formes de
machines produisant de l'électricité à partir du
mouvement de bobines de fil devant les pôles des aimants permanents.
On les appelle généralement machines magnétoélectriques.
L'action de ces machines est si importante pour la téléphonie
qu'elle nécessite une description plus détaillée.
INDUCTION MAGNÉTIQUE.
Soit NS (Fig. 3 ) une barre d'acier trempé rendue magnétique
en permanence. Si l'on approche maintenant un clou, celui-ci deviendra
un aimant par l' action inductive du premier aimant. Ce magnétisme
induit peut être démontré en approchant une punaise
ou un autre morceau de fer de l'extrémité la plus éloignée
de l'aimant permanent; la punaise adhère au clou, mais se détache
lorsque le clou est éloigné de l'aimant. En testant la polarité
du clou, on constate que l'extrémité la plus proche de l'aimant
est un pôle sud si le pôle nord de l'aimant est orienté
vers lui, et que, dans tous les cas, elle présente une polarité
opposée à celle du pôle qui agit sur lui. L'intensité
du magnétisme induit ainsi développé dépend
de la distance entre l'aimant et le fer, atteignant son maximum lorsque
les deux se touchent. Mais la punaise elle-même est également
un aimant et attirera une autre punaise, puis celle-ci une autre encore,
le nombre de punaises ainsi supportées dépendant de l'intensité
du premier aimant, ou aimant inducteur.
Supposons maintenant que nous enroulions quelques mètres de fil
autour du clou, que nous fixions les deux extrémités du
fil à un galvanomètre ordinaire, puis que nous approchions
le clou de l'aimant permanent. L'aiguille du galvanomètre se déplacerait
à l'approche du clou ; si ce dernier touchait l'aimant, le mouvement
de l'aiguille serait brusquement accéléré, mais s'immobiliserait
immédiatement, montrant ainsi que le clou ne se rapproche ni ne
s'éloigne de l'aimant, aucun courant électrique ne circule
dans le fil, bien que le clou soit un aimant puissant tant qu'il est en
contact avec l'aimant permanent. Si le clou est alors retiré, les
deux phénomènes se reproduisent : en s'éloignant,
le clou perd son magnétisme ; et cette perte de magnétisme
induit un courant électrique à travers le fil, en sens inverse
de celui qu'il avait lorsque le clou s'est approché. Ce courant
est indiqué par l'aiguille du galvanomètre, qui se déplace
selon la loi d'Ampère mentionnée à la page précédente.
Il convient de noter ici que nous obtenons un effet tout à fait
analogue à celui déjà mentionné à la
page 21, l'expérience de Faraday. Dans un cas, un aimant permanent
est inséré dans une bobine de fil, et dans l'autre, un morceau
de fer enfermé dans une bobine devient un aimant. Dans chaque cas,
un courant électrique est généré dont la durée
ne dépasse pas celle du mouvement mécanique des pièces
.
MACHINES MAGNETO-ELECTRIQUES.
De tels courants transitoires sont pratiquement inutiles, et plusieurs
dispositifs ont été inventés pour assurer un flux
continu. Le schéma ci-contre illustre la forme courante de la machine
permettant d'assurer ce fonctionnement.
NS, Fig. 4 , représente l'aimant permanent, courbé en U
afin d'utiliser les deux pôles. N´ et S´ sont de courtes
tiges de fer doux fixées dans une culasse Y, également en
fer doux. Des bobines de fil entourent chacune des tiges, comme représenté,
les extrémités des fils étant reliées entre
elles et à ce que l'on appelle un inverseur de pôles. L'ensemble
de cette pièce peut tourner autour d'un axe PY grâce à
une poulie en P. L'action est la suivante : de par leur position, les
tiges de fer doux N´ S´ doivent devenir des aimants par l'action
inductive de l'aimant permanent, tout comme le clou est devenu un aimant
dans la même position. Tant que les pièces conservent la
position relative indiquée sur la figure et qu'il n'y a pas de
mouvement, aucune électricité ne peut être produite
; mais si l'axe PY est tourné, S´, qui représente
la polarité de la tige opposée à N, perd son magnétisme
induit ; et, après un demi-tour, ce même pôle se trouvera
à la position actuelle de N´ ; mais il aura alors la polarité
N´ au lieu de S´ ; autrement dit, il a perdu sa polarité
sud en s'éloignant de N et a gagné en polarité nord
en s'approchant de S : un courant électrique a donc régulièrement
traversé la bobine dans un sens. Simultanément, l'autre
tige N´ a traversé des phases similaires ; et sa bobine enveloppante
a été induite par un courant électrique dans le même
sens que dans la première bobine. Cela double l'intensité
du courant ; et l'ensemble est conduit par les fils de connexion là
où le courant est nécessaire. Des machines ont été
construites sur ce plan, qui contenaient cinquante ou soixante puissants
composés d'aimants permanents et autant de bobines de fil, nécessitant
une machine à vapeur de huit ou dix chevaux pour les faire fonctionner.
Une machine magnétoélectrique moins encombrante et beaucoup
plus efficace a été fabriquée en remplaçant
l'armature en fer doux par une sorte de navette, et en enroulant le fil
à l'intérieur. C'est ce qu'on appelle l'" armature
Siemens ". Le modèle le plus récent de ces machines
est connu sous le nom de Gramme ; sa particularité réside
dans le remplacement de l'armature par un large anneau de fer doux. Autour
de cet anneau, de nombreuses bobines de fil de cuivre isolé, de
longueurs égales, sont enroulées de telle sorte qu'un demi-tour
de fil traverse l'intérieur de l'anneau, ce qui donne aux bobines
leur orientation longitudinale. L'armature ainsi préparée
est fixée sur un arbre, de manière à permettre sa
rotation, entre les pôles d'un puissant aimant Jamin. Les extrémités
des bobines sont reliées à des conducteurs sur l'axe ; et,
lorsque l'armature ainsi construite tourne, un courant électrique
très constant et puissant circule dans une seule direction, contrairement
aux autres formes. Il est indiqué qu'avec un cheval-vapeur, on
peut obtenir une lumière égale à celle d'une batterie
de cinquante cellules Grove.
COURANTS SECONDAIRES.
Dès 1836, le professeur Page de Salem remarqua que, chaque fois
qu'un courant électrique circulait dans une bobine de fil, un autre
courant de sens opposé était induit dans une bobine parallèle
à la première ; et de même, lorsque le courant dans
la première était interrompu, un autre courant circulait
dans la seconde bobine en sens inverse. Ces courants, appelés courants
secondaires, sont très transitoires. Aucun courant ne circule,
sauf au moment de l'établissement ou de l'interruption du courant.
À cet égard, rappelons le comportement du fer doux à
l'intérieur de la bobine, qui produit un courant électrique
lorsqu'il s'approche ou s'éloigne d'un aimant, mais qui n'en produit
aucun tant qu'il est immobile.
Ces courants secondaires ont été étudiés par
le professeur Henry, ce qui a permis la découverte de nombreux
phénomènes curieux et intéressants. Il me suffira
ici de me référer à ce que l'on appelle les bobines
d'induction, qui sont des développements des principes de l'électromagnétisme
et de l'électro-induction, sont des exemples de bobines d'induction.
Imaginez une tige de fer doux de n'importe quelle taille, enroulée
autour d'une bobine de fil, dont les extrémités sont disposées
de manière à pouvoir être connectées à
une pile galvanique. Autour de cette bobine, on enroule une autre bobine
de fil très fin et bien isolé ; ses bornes sont réglables
à n'importe quelle distance. La connexion d'une pile à la
bobine primaire produit alors deux effets simultanés : d'une part,
le fer doux devient magnétique ; d'autre part, un courant électrique
est généré dans la bobine secondaire ; l'intensité
de ce courant secondaire est fortement accrue par l'action inductive du
fer doux transformé en aimant. Lorsque le courant de la pile est
interrompu, le fer perd son magnétisme et un courant électrique
est réinjecté dans la bobine secondaire en sens inverse.
L'énergie de ce courant dérivé est si importante
qu'il peut parcourir une certaine distance dans l'air, ce qui le rend
apparemment différent de l'électricité produite par
une pile, une bobine d'induction fabriquée par M. Ritchie pour
l'Institut Stevens de Hoboken, dans le New Jersey, possède une
bobine primaire de 60 mètres de fil n° 6. La bobine secondaire,
longue de plus de 80 kilomètres, est constituée de fil n°
36, d'un diamètre de seulement 0,005 pouce. Cet instrument a produit
une étincelle de 53 centimètres de long, grâce à
trois gros éléments d'une pile bichromatée.
M. Spottiswood, de Londres, vient de réaliser la plus grande bobine
d'induction jamais fabriquée. Elle est composée de deux
bobines primaires, l'une contenant 27,7 kg de fil, l'autre 37,8 kg, le
fil ayant un diamètre de 0,096 pouce. La bobine secondaire mesure
380 kilomètres de long et compte 381 850 spires. Cette bobine est
composée de trois parties : le diamètre du fil de la première
partie est de 0,0095 pouce ; celui de la deuxième partie de 0,015
; et celui de la troisième partie de 0,011. Grâce à
cinq cellules Grove, cette bobine d'induction a produit une étincelle
de 107 cm de long et est dotée d'un verre perforé de 7,6
cm d'épaisseur.
L'électricité ainsi développée dans les bobines
secondaires est de même nature que celle développée
par frottement ; et toutes les expériences des observations réalisées
avec ce dernier peuvent être répétées avec
le premier, nombre d'entre elles étant considérablement
plus belles et plus intéressantes. Tels sont, par exemple, les
décharges sous vide dans les tubes de Geisler, présentant
des stratifications, de la fluorescence, de la phosphorescence, la production
d'ozone en grande quantité, la décomposition de composés
chimiques, etc.
L'électricité produite par le frottement sur le verre, la
cire, la résine et autres matériaux dits non conducteurs
a jusqu'ici été appelée électricité
statique, car une fois produite sur une surface, elle y persistait indéfiniment,
ou jusqu'à ce qu'un corps conducteur la touche et lui permette
ainsi de s'échapper. Ainsi, un morceau de cire frotté avec
un morceau de flanelle, frappé avec une peau de chat ou une queue
de renard, devient fortement électrifié et, dans une atmosphère
sèche, le reste pendant des mois. L'air ordinaire contient cependant
toujours une quantité notable d'humidité ; et, l'eau étant
conductrice d'électricité, cet air humide se déplaçant
sur la surface électrifiée emporte très rapidement
toute l'électricité.
Encore une fois, l'électricité développée
par l'action chimique dans une batterie et par l'interaction de l'électricité
des aimants et des bobines de fil a été qualifiée
d'électricité dynamique, car elle ne semblait exister que
lorsqu'elle était en mouvement dans un circuit complet. Or, ce
n'est pas vrai ; en effet, si l'un des fils d'une pile galvanique est
relié à la terre et l'autre à un électromètre
délicat, on constatera que ce dernier produit une excitation électrique
de la même manière que l'électricité produite
par frottement dans un autre corps. Ce phénomène, parfois
appelé tension , est très faible pour une seule cellule
; mais dans une série de cellules, il se manifeste autrement. Ainsi,
lorsqu'on saisit les bornes d'une seule cellule, aucun effet n'est perçu
; en revanche, si l'on saisit les bornes d'une pile composée de
quarante ou cinquante cellules, on ressent un choc violent, sans commune
mesure avec celui ressenti lors de la décharge d'une très
petite bouteille de Leyde. Le choc de plusieurs centaines de cellules
serait très dangereux.
On doutait autrefois que l'électricité puisse passer entre
les bornes d'une batterie sans contact réel des bornes. Gassiot
a été le premier à démontrer que l'étincelle
jaillissait entre les fils d'une batterie à plusieurs cellules
avant même qu'un contact réel ne soit établi. Récemment,
M. De La Rue a mesuré la distance parcourue par l'étincelle,
en utilisant une batterie à plusieurs cellules.
Je donne son tableau comme tiré des " Proceedings of the Royal
Society " :
Cellules. Distance de frappe.
600 .0033 pouce.
1 200 .0130 "
1 800 .0345 "
2 400 .0535 "
Ce tableau montre que la distance d'amorçage est quasiment égale
au carré du nombre de cellules. Ainsi, avec 600 cellules, l'étincelle
a sauté de 0,0033 pouce ; et avec le double de cellules, soit 1
200, l'étincelle a sauté de 0,0130 pouce, soit à
0,0002 pouce près, jusqu'à quatre fois la première
distance.
Cela amène à se demander quelle taille de batterie serait
nécessaire pour produire une étincelle d'une longueur donnée,
comme un éclair par exemple. Une cellule produirait une étincelle
de 0,00000001 pouce de long, et cent mille, une étincelle de 92
pouces de long. Un million de cellules produirait une étincelle
de 232 mètres de long, un véritable éclair. Il est
peu probable qu'un million de cellules soient un jour fabriquées
pour former une seule batterie connectée, mais il n'est pas improbable
qu'il en existe cent mille. De La Rue a depuis fabriqué 8 040 cellules
et a constaté que la distance d'impact de ce nombre est de 8,75
mm, soit un peu plus d'un tiers de pouce. Il affirme également
que la distance d'impact augmente plus vite que le rapport indiqué
ci-dessus, comme le démontrent les expériences réalisées
avec un nombre encore plus important de cellules.
Ces expériences, et bien d'autres, démontrent qu'il n'existe
pas de différence fondamentale entre l'électricité
statique et l'électricité dynamique. Dans le premier cas,
elle se développe sur une surface dont les caractéristiques
moléculaires la rendent impossible à évacuer, chaque
molécule de surface étant pratiquement une petite cellule
de batterie dont une borne est libre. Ainsi, lorsqu'un conducteur approprié
s'approche de la surface, il reçoit l'électricité
de millions de cellules et devient ainsi fortement électrifié,
ce qui permet d'en tirer immédiatement une étincelle.
QU'EST-CE QUE L'ÉLECTRICITÉ?
THÉORIES.
De nombreuses tentatives ont été faites pour expliquer les
phénomènes de l'électricité. En général,
ces phénomènes sont si différents des autres phénomènes
expliqués et facilement intelligibles qu'il a été
généralement admis, jusqu'à récemment, que
quelque chose de très différent de la matière ordinaire
et des lois des forces qui lui sont applicables devait être impliqué
dans les phénomènes eux-mêmes. Par conséquent,
le terme d'impondérable lui a été appliqué,
quelque chose qui était de la matière sans certains de ses
éléments essentiels ; et comme il était évident
que, quelle que soit cette matière, elle se déplaçait,
apparemment coulait, d'un endroit à un autre, le terme de fluide
lui a été appliqué, terme descriptif d'une certaine
forme de matière. " Fluide impondérable " était
le nom descriptif donné à l'électricité. Newton
supposait qu'un corps excité émettait un fluide capable
de pénétrer le verre. Lorsqu'il s'agissait d'expliquer les
deux phénomènes d'attraction et de répulsion électriques,
deux théories furent proposées, l'une par Benjamin Franklin,
l'autre par Dufay. Franklin supposait que l'électricité
était un fluide subtil et impondérable, dont tous les corps
contenaient une certaine quantité normale. Par frottement ou autrement,
cette quantité normale était perturbée. Si un corps
recevait plus que sa part, on disait qu'il était électrifié
positivement ; s'il en recevait moins que sa quantité normale,
on disait qu'il était électrifié négativement.
Franklin supposait que ce fluide électrique était hautement
auto-répulsif et qu'il attirait puissamment les particules de matière.
Selon Dufay, il existe deux fluides électriques, de tendance opposée
mais de même quantité. Associés en quantités
égales, ils se neutralisent mutuellement. Une partie de ce fluide
composé neutre imprègne toute la matière à
l'état non excité. Par frottement ou autrement, ce fluide
composé se décompose : le caoutchouc et le corps frotté
échangent des quantités d'électricité égales
de natures opposées, l'un étant positif, l'autre négatif
. Ces deux fluides étaient censés être auto-répulsifs,
mais s'attirer mutuellement : de sorte que, si deux corps étaient
chargés d'électricité positive ou négative,
ces corps se repoussent mutuellement ; mais si l'un était chargé
d'électricité positive, tandis que l'autre était
chargé d'électricité négative, les deux corps
s'attireraient mutuellement.
Chacune de ces deux théories peut servir à illustrer les
phénomènes et a ainsi grandement contribué à
systématiser les faits. Il est évident qu'elles ne peuvent
être vraies toutes les deux, et il est fort probable qu'aucune d'elles
ne le soit.
Certains ont supposé qu'il y avait une sorte d'atmosphère
électrique autour de chaque atome de matière ; et une autre
théorie encore, défendue aujourd'hui par Edlund de Stockholm,
suppose que l'électricité est identique à l'éther
par lequel l'énergie rayonnante, la lumière et la chaleur,
sont transmises.
Avant de pouvoir juger correctement de la nature d'une force, il est nécessaire
de connaître ses capacités et les phénomènes
qu'elle peut produire. Examinons donc brièvement les capacités
de l'électricité.
1° Elle peut produire directement du mouvement par les attractions
et les répulsions des corps électrifiés, comme l'indiquent
les électromètres, la rotation du volant d'inertie et la
déviation de l'aiguille du galvanomètre. Les travaux mathématiques
de Clausius ont prouvé, et l'expérience l'a confirmé,
que lorsque l'électricité effectue un travail mécanique,
une quantité d'électricité est perdue, annihilée,
sous forme d'électricité.
2° Elle peut produire directement de la chaleur , comme le montre
le passage d'une quantité suffisante d'électricité
à travers un fin fil de platine : le fil s'échauffe, s'incandescent
et peut même fondre sous l'effet de la chaleur. La chaleur développée
dans ce qu'on appelle l'arc électrique est si intense qu'elle peut
fondre les substances les plus réfractaires. Si le courant électrique
d'une pile traverse une pile thermique, l'une des faces de la pile sera
chauffée. La chaleur de l'étincelle d'une bouteille de Leyde
peut enflammer la poudre à canon et dissiper l'or en vapeur. La
chaleur produite par la foudre est visible lorsqu'un arbre vivant est
frappé par un puissant éclair : la sève de l'arbre
est instantanément transformée en vapeur d'une tension si
élevée qu'elle ferait exploser l'arbre, le dispersant en
petits fragments sur une vaste zone. Les pointes des paratonnerres présentent
souvent cet effet de chauffage, fusionnant sous l'effet d'une trop grande
quantité d'électricité.
Au début du XXe siècle, le comte Rumford et Sir Humphry
Davy démontrèrent que la chaleur n'était qu'une forme
de mouvement moléculaire. Depuis lors, les relations exactes entre
le mouvement d'une masse de matière et la chaleur équivalente
ont été déterminées expérimentalement
par Joule, de sorte que l'unité de chaleur peut être exprimée
par le mouvement d'une masse de matière. Ceci découle d'une
loi plus générale, connue sous le nom de conservation de
l'énergie. L'application ici est la suivante : chaque fois que
de la chaleur apparaît par action électrique, comme dans
les passages mentionnés ci-dessus, nous savons que seul le mouvement
en est le produit, mais que ce mouvement s'exerce désormais entre
les molécules du corps, au lieu du mouvement du corps entier dans
l'espace, comme lorsqu'une boule de moelle se déplace ou que l'aiguille
d'un galvanomètre tourne.
3° Il peut produire directement de la lumière . On le constate
dans chaque étincelle d'une machine électrique, dans l'éclair
et dans la lumière électrique.
Il a été démontré de multiples façons
qu'il n'existe pas de différence essentielle entre la lumière
et la chaleur, et que ce que nous appelons lumière n'est que la
relation active que certains rayons d'énergie rayonnante entretiennent
avec les yeux. Pour illustrer cela, supposons qu'un faisceau lumineux,
provenant par exemple du soleil, tombe sur un prisme triangulaire en verre
: on constate immédiatement que le faisceau est dévié
et, au lieu d'apparaître comme une tache de lumière blanche,
comme avant sa déviation, il apparaît désormais comme
une bande brillante de couleurs, appelée spectre solaire. Si l'on
examine maintenant ce spectre quant à la distribution de la chaleur,
en y déplaçant une thermopile de l'extrémité
bleue vers l'extrémité rouge, on constate que l'aiguille
du galvanomètre n'est que légèrement déviée
à cette extrémité ; mais, à mesure que la
thermopile est déplacée, les déviations s'accentuent
jusqu'à dépasser l'extrémité rouge, où
la chaleur est maximale. C'est pourquoi on a coutume de dire que l'extrémité
rouge du spectre est l'extrémité chauffante. Avec divers
mécanismes, les rayons peuvent être séparés
les uns des autres et mesurés ; il apparaît alors qu'un rayon
de lumière rouge a une onde de longueur d'environ 1/37 000 po et
le rayon violet d'environ 1/60 000 po. Les rayons au-delà du rouge
ont également été mesurés et se sont avérés
être plus longs uniformément à mesure que l'on s'éloigne
de la partie visible du spectre.
De même, au-delà de l'extrémité bleue, les
longueurs d'onde deviennent de plus en plus courtes ; et dans chacune
de ces directions, le spectre invisible est beaucoup plus long que le
spectre visible. Or, on a également constaté que lorsqu'un
prisme de verre ou d'un autre matériau est utilisé pour
produire un spectre, il répartit les rayons de manière très
inégale ; autrement dit, vers l'extrémité rouge du
spectre, ils sont très concentrés, tandis que vers l'extrémité
bleue, ils sont plus dispersés. Par conséquent, si l'on
mesurait le pouvoir calorifique d'un tel spectre, beaucoup plus de rayons
tomberaient sur une surface égale de la thermopile à l'extrémité
rouge qu'à l'extrémité bleue ; les indications du
galvanomètre seraient donc erronées. Avant de pouvoir obtenir
des informations précises à ce sujet, il serait évidemment
nécessaire de travailler avec une dispersion égale de tous
les rayons. C'est ce qu'a réalisé il y a quelques années
le Dr Draper de New York. Il prit le spectre produit par diffraction plutôt
que par réfraction, et le mesura. Il constata ainsi que le pouvoir
calorifique du spectre est égal dans toutes ses parties ; par conséquent,
les représentations des traités de physique, qui représentent
le pouvoir calorifique du spectre concentré à l'extrémité
rouge, ne sont vraies que lorsque le spectre est produit de manière
irrégulière. Quant à la vision, la structure mécanique
de l'œil est telle que des vibrations radiantes d'une longueur d'onde
comprise entre 1/37 000 et 1/60 000 de pouce peuvent l'affecter, contrairement
aux longueurs d'onde plus ou moins longues. Ces ondes sont appelées
lumière, mais il n'est pas improbable que certains animaux et insectes
aient des yeux adaptés à des longueurs d'onde plus ou moins
longues ; auquel cas, ce qui nous paraîtrait parfaitement sombre
serait clair pour eux. Il est bien connu que de nombreux animaux, comme
les chiens, les chats, les rats et les souris, voient la nuit. On peut
faire confiance à certains chevaux pour rester sur la route par
nuit noire, lorsque le cocher ne peut même pas les voir. On explique
généralement cela en disant que leurs yeux sont construits
de manière à collecter un plus grand nombre de rayons lumineux.
]On peut mieux l'expliquer en supposant que leurs yeux sont construits
pour répondre à des longueurs d'onde supérieures
ou inférieures à celles de l'humanité.
Un rayon lumineux est donc constitué d'une seule ligne d'ondulations
d'une longueur d'onde définie, telle que, s'il frappe l'œil,
il produit la vue ; s'il frappe une thermopile, il la chauffe exactement
autant qu'une autre longueur d'onde la chaufferait ; s'il frappe une matière
en relations chimiques instables, il effectue un travail chimique, selon
le type de matière. Un rayon rouge est aussi efficace pour certaines
substances qu'un rayon violet pour d'autres. L'affirmation, si souvent
avancée ces derniers temps pour effectuer un travail analogique,
selon laquelle un rayon lumineux est constitué de trois parties
distinctes, séparables les unes des autres et appelées chaleur,
lumière et propriétés chimiques, est tout simplement
fausse. L'effet d'un rayon dépend du type de structure sur laquelle
il frappe ; et une fois ce travail effectué, quel qu'il soit, il
cesse d'exister en tant que rayon.
Si donc l'électricité peut produire directement de la lumière,
elle produit simplement du mouvement , comme dans le cas de la chaleur,
le mouvement étant tel que les yeux des hommes en sont affectés.
4° Il peut produire du magnétisme . Un courant électrique
traversant une bobine de fil transforme cette bobine en aimant, qui se
positionne dans la direction du méridien magnétique terrestre.
Si une barre de fer doux est placée dans la bobine, elle devient
l'électro-aimant habituel ; et si on y introduit de l'acier trempé,
elle devient un aimant permanent.
Ceci nous amène à nous interroger sur ce qu'est le magnétisme.
Nous savons qu'il peut produire un mouvement en déplaçant
à distance un morceau de fer ou un autre aimant. Il soutient également
une masse de matière contre la gravité ou toute autre force
contraire. Grâce à des mécanismes tels que les machines
magnétoélectriques, il produit de l'électricité
en grande quantité, laquelle peut à son tour être
utilisée pour produire tous les effets de l'électricité
: déplacer des corps par attraction ou répulsion, générer
de la chaleur ou de la lumière, ou encore fabriquer un aimant.
Mais comme tous ces phénomènes ne sont que des formes variées
de mouvement, qu'il s'agisse d'une masse entière ou d'un mouvement
moléculaire, peut-on douter un seul instant que ce que nous appelons
magnétisme ne soit qu'une forme de mouvement ? Ne doit-il pas s'agir
soit d'une forme de matière, soit d'une forme de mouvement ? S'il
s'agissait d'une forme de matière, un aimant ne serait permanent
qu'aussi longtemps qu'il n'est pas utilisé ; car son utilisation
implique une consommation de force ; et, s'il s'agit de matière
sous quelque forme que ce soit, alors dans une masse donnée de
matière, il ne peut y avoir qu'une quantité définie
de cette matière magnétique, et la consommation doit diminuer
cette quantité. En fait, il n'y a aucune diminution perceptible
de la puissance d'un aimant lorsqu'il est correctement utilisé.
Il est également avéré que ni le mouvement d'une
masse, ni les effets électriques, ni aucun autre, ne peuvent être
produits par la seule action d'un aimant. Ce n'est que lorsqu'une forme
de mouvement s'ajoute à sa propre propriété que nous
en obtenons un effet quelconque : tous les effets dus à son action
résultent donc de deux forces, l'une étant le mouvement
commun d'une masse de matière, et l'autre l'énergie de l'aimant.
Nous en déduisons donc qu'un aimant est un mécanisme dont
la structure modifie la direction et la nature du mouvement qui l'agit.
Lorsque l'on fait tourner la roue d'une machine électrique ordinaire,
le produit est de l'électricité, une force très différente
de celle qui la produit. De même, un aimant peut être considéré
comme une machine permettant de convertir un mouvement mécanique
en une autre forme de mouvement. Il est évident que la structure
moléculaire est principalement concernée. Si une barre de
fer, ne présentant aucun signe de magnétisme, est soumise
à une torsion, elle deviendra immédiatement un aimant dont
les pôles dépendent du sens de la torsion. Ce magnétisme
développé réagira sur une bobine de fil, déplaçant
ainsi l'aiguille d'un galvanomètre. Si on laisse la barre retrouver
son état initial, elle perdra son magnétisme, qui réapparaîtra
immédiatement en tordant à nouveau la barre. Or, lorsque
la barre est tordue, il est évident qu'une contrainte moléculaire
se produit dans certaines directions à travers la masse. L'expérience
inverse illustre le même phénomène. On a constaté
que lorsqu'une barre de fer est rendue magnétique par l'action
d'un courant électrique circulant autour d'elle et la traversant
longitudinalement, elle devient légèrement allongée
et tordue dans une direction qui dépend de celle du courant. De
plus, si un aimant permanent est chauffé au rouge, son magnétisme
est détruit ; une telle chaleur permet aux molécules de
s'organiser librement sans aucune contrainte extérieure. De même,
si un aimant permanent est suspendu de manière à produire
un son musical lorsqu'il est frappé, le magnétisme sera
fortement affaibli par cette vibration. Dans ce cas, comme dans l'autre,
les vibrations affectent chaque molécule et leur permettent ainsi
de se réajuster à la position qu'elles occupaient avant
d'être magnétisées. Le même phénomène
se produit lorsqu'une barre de fer est rendue magnétique par l'action
inductive de la Terre. Lorsque cette barre est maintenue dans la direction
du pendage magnétique, elle ne devient que très légèrement
magnétisée ; mais si elle est maintenue de telle sorte que
lorsqu'elle est frappée avec un marteau, elle résonne, c'est-à-dire
produit un son musical, elle devient immédiatement véritablement
magnétique. De toute évidence, l'action de la Terre tend
à placer les molécules de la masse dans une nouvelle position,
mais la cohésion les empêche de la prendre. Lorsque les molécules
sont amenées à vibrer, elles peuvent ainsi prendre plus
facilement de nouvelles positions. Les molécules d'un aimant sont
donc disposées différemment de celles d'une pièce
de fer ou d'acier non magnétisée ; et, pour chaque nouvel
arrangement des molécules d'une masse, quelle qu'elle soit, une
nouvelle propriété physique se développe toujours.
Une même substance peut apparaître sous forme de charbon de
bois, de coke, de plombagine, d'anthracite et de diamant. Un aimant est
donc une machine dans laquelle les autres forces agissant sur lui se transforment
et réapparaissent sous forme d'attractions et de répulsions
d'autres matières : cette transformation ne peut avoir lieu, et
donc le magnétisme ne peut se manifester, qu'à la condition
qu'une autre force agisse de concert avec elle ; et, si, à un moment
donné, il semble agir sans cette force externe, c'est au détriment
de la chaleur absorbée, et donc l'aimant doit alors subir une perte
de température proportionnelle au travail fourni. J'ai constaté
cela en faisant exercer sa force par un aimant devant une thermopile,
qui présente uniformément une face refroidie dans de telles
conditions. La forme particulière du mouvement peut ce que nous
appelons magnétisme n'est pas encore établi ; mais il est
évident qu'il s'agit d'une forme de mouvement. Les expériences
suivantes pourraient apporter un éclairage. En août dernier,
M. Kerr a lu un article devant la British Association of Science, qui
détaillait l'expérience suivante : le pôle d'un électro-aimant
était soigneusement poli de manière à réfléchir
la lumière comme un miroir. Un rayon de soleil tombait dessus et
se réfléchissait vers un endroit approprié pour l'examiner.
Un courant électrique traversait la bobine, ce qui rendait le fer
magnétique ; et on remarqua que la lumière réfléchie
par le pôle était polarisée circulairement : autrement
dit, le mouvement d'un rayon, au lieu d'être un simple mouvement
ondulatoire, prenait maintenant un mouvement similaire à celui
de l'eau d'un tuyau d'arrosage lorsque le bec tourne en rond pendant que
l'eau s'en échappe. Après avoir lu le compte rendu, il m'est
venu à l'esprit que l'expérience inverse pourrait être
tentée ; c'est-à-dire l'effet d'un faisceau de lumière
polarisée circulairement sur une pièce d'acier. En concentrant
un large faisceau de lumière ordinaire.]En observant une lumière
polarisée plane à l'aide d'une lentille en quartz, puis
en la faisant passer à travers une lame quart d'onde à l'angle
approprié, on obtint un puissant faisceau de lumière polarisée
circulairement. Au foyer de ce faisceau, une fine aiguille de batiste,
dépourvue de magnétisme, fut placée de manière
à ce que la lumière la traverse longitudinalement. Dix minutes
d'exposition suffirent à la rendre manifestement magnétique.
J'en déduis que les mouvements que nous appelons attractions et
répulsions magnétiques peuvent être tout à
fait analogues à ces mouvements hélicoïdaux ; et que
ces mouvements existent également dans l'éther et peuvent
évidemment être à droite ou à gauche. Enroulez
autour d'un crayon un morceau de fil de fer de douze à quinze pouces
de long, formant une spirale lâche. Rapprochez les deux extrémités
de la spirale ; et notez d'abord que l'une est torsadée vers la
droite, l'autre vers la gauche. Si elles sont torsadées l'une dans
l'autre, elles progresseront très facilement ; mais si une spirale
à droite était entrelacée avec une autre similaire,
et que toutes deux étaient tournées dans le sens de leur
spirale, elles se sépareraient rapidement. En appliquant cette
conception à un aimant, nous pourrions supposer que de tels mouvements
en spirale seront créés dans l'éther par l'aimant,
et que de tels mouvements réagissant sur la matière ordinaire
l'affectent comme attraction et répulsion ; et ainsi nous aurions
au moins une explication mécanique concevable du phénomène.
D'innombrables expériences pourraient être menées
pour mieux illustrer la relation entre le mouvement des masses et le magnétisme,
mais une seule de plus suffira. Aucune rotation d'un aimant sur son propre
axe ne peut produire d'effet sur un courant qui lui est extérieur
; mais si une boucle de fil est maintenue immobile à proximité
d'un aimant, comme sur la figure 5 , pendant que l'aimant tourne, un courant
électrique est produit ; et si l'aimant est maintenu immobile et
que la boucle tourne, un courant sera également produit, mais en
sens inverse. Ici, comme dans tous les autres cas, aucune électricité
n'est produite d'origine, sauf lorsqu'un mouvement est transmis à
l'une ou l'autre des parties. Cette expérience est due à
Faraday.
De tous ces cas, nous ne pouvons arriver qu'à une seule conclusion
: l'électricité et le magnétisme ne sont que des
formes de mouvement ; l'électricité étant une forme
de mouvement dans la matière ordinaire, car elle ne peut pas être
amenée à traverser le vide, tandis que le magnétisme
doit être une forme de mouvement induite dans l'éther, car
il est aussi efficace dans le vide qu'en dehors de celui-ci ; l'électricité
ayant toujours besoin d'un conducteur matériel, le magnétisme
n'en ayant pas besoin de plus que la chaleur rayonnante et la lumière.
VITESSE.
Des mesures de la vitesse de l'électricité ont été
effectuées ; celle de l'électricité à haute
tension, comme l'étincelle d'une bouteille de Leyde, et celle d'une
pile. La première a une vitesse supérieure à 320
000 kilomètres par seconde, tandis que l'électricité
d'une pile peut se déplacer à une vitesse aussi lente que
24 000 ou 32 000 kilomètres par seconde ; mais cela dépend
surtout des conducteurs. Sa vitesse dépasse rarement 48 000 kilomètres
par seconde sur un circuit ordinaire de lignes télégraphiques.
Si l'électricité est utilisée pour transmettre des
signaux, comme en télégraphie ordinaire, le temps nécessaire
varie presque comme la longueur de la ligne, et est, dans tous les cas,
bien plus important. Prescott, dans son ouvrage sur le télégraphe,
indique que " le temps nécessaire pour produire un signal
sur l'électro-aimant à l'extrémité d'une ligne
de 480 kilomètres de fil de fer n° 8 est d'environ 0,01 seconde,
et que ce temps augmente proportionnellement à la longueur de la
ligne ; par exemple, sur une ligne de 960 kilomètres, il est d'environ
0,03 seconde. " Il précise également que ce temps varie
beaucoup selon le type d'aimant utilisé, certains étant
beaucoup plus sensibles que d'autres pour ce travail.
Wheatstone a prouvé il y a de nombreuses années que la durée
d'une étincelle électrique était inférieure
à un millionième de seconde. Lorsqu'un corps en mouvement
rapide n'est visible que par une étincelle électrique ou
un éclair, il semble immobile. Ainsi, un train de wagons roulant
à une vitesse de soixante ou cinquante kilomètres à
l'heure apparaît nettement défini ; même les roues
motrices de la locomotive sont visibles en détail, ce qui est impossible
sous une lumière continue, tout semble immobile. De même,
les ailes d'un moulin à vent, qui tournent à vive allure,
semblent apparemment immobiles. En effet, pendant le court laps de temps
où elles sont éclairées, elles ne bougent pas sensiblement.
Je n'ai connaissance d'aucune tentative de mesure de la vitesse du magnétisme.
Cependant, s'il s'agit d'une forme de mouvement dans l'éther, il
est probable que cette vitesse soit comparable à celle de l'énergie
rayonnante, la lumière, qui est d'environ 300 000 kilomètres
par seconde.
SON.
Avant d'expliquer le lien entre le son et la téléphonie,
il est nécessaire d'expliquer clairement ce qu'est le son et comment
il affecte la substance du corps qu'il traverse. Si je frappe mon crayon
sur la table, j'entends un claquement qui semble simultané à
l'oreille ; si, en revanche, je vois un homme frapper un arbre avec une
hache sur une colline assez éloignée, le son ne m'atteint
qu'après un certain temps ; et il est à noter que plus le
lieu d'origine d'un soi-disant son est éloigné, plus il
met de temps à atteindre l'auditeur. Ainsi, le son a dans l'air
une certaine vitesse, mesurée avec une grande précision,
de 330 mètres par seconde lorsque la température de l'air
est au point de congélation de l'eau. À mesure que la température
augmente, la vitesse du son augmente d'un peu plus de 30 mètres
par degré Fahrenheit ; de sorte qu'à 60°, la vitesse
est de 340 mètres par seconde. C'est la vitesse de l'air. Dans
l'eau, elle est environ quatre fois supérieure, dans l'acier, seize
fois, et dans le pin, environ dix fois.
CONSTITUTION D'UNE ONDE SONORE UNIQUE.
Si une personne se tient à quinze ou vingt perches d'un coup de
canon, elle verra d'abord l'éclair, puis le nuage de fumée
qui jaillit de la bouche du canon, puis sentira le sol trembler, et enfin
le son parviendra à son oreille en même temps qu'une forte
bouffée d'air. Cette bouffée d'air constitue l'onde sonore
elle-même, se propageant à une vitesse de 130 mètres
ou plus par seconde. Au moment de l'explosion de la poudre, l'air devant
le canon est fortement comprimé ; cette compression se propage
aussitôt vers l'extérieur dans toutes les directions, formant
une sorte de coquille sphérique dont le diamètre augmente
constamment ; et, dès qu'elle atteint l'oreille, le son est perçu.
Lorsqu'une telle onde sonore frappe une surface solide, comme une falaise
ou un bâtiment, elle est renvoyée et l'onde est réfléchie
qu'on peut entendre ; dans ce cas, on parle d'écho. Lorsqu'un coup
de canon est tiré, on entend généralement le son
répété, de sorte qu'il semble durer une seconde ou
plus ; mais lorsque, comme dans le premier cas, on entend le bruit d'un
crayon frappé sur la table, on n'entend qu'une seule détonation
brève, qui, on peut le supposer, consiste en une seule onde d'air
condensé.
Imaginez un diapason mis en vibration. Chaque lame frappe l'air simultanément
en sens inverse. Observez l'état physique de l'air devant l'une
de ces lames. Lorsque celle-ci frappe vers l'extérieur, l'air devant
elle est poussé vers l'extérieur, condensé ; et,
grâce à l'élasticité de l'air, la condensation
se propage aussitôt dans toutes les directions, formant une vague
d'air plus dense ; mais dès que la lame recule, elle repousse l'air
en sens inverse, ce qui raréfie évidemment l'air du premier
côté. Mais la perturbation qu'on appelle raréfaction
l'onde se déplaçant dans l'air à la même vitesse
qu'une condensation. Il faut donc se rappeler que juste derrière
l'onde de condensation se trouve l'onde de raréfaction, toutes
deux se déplaçant à la même vitesse et conservant
donc toujours la même position relative. Or, la fourche vibre un
grand nombre de fois par seconde et génère par conséquent
autant d'ondes, toutes constituées de la même manière
et de même longueur ; par longueur, on entend la somme des épaisseurs
de condensation et de raréfaction. Supposons qu'une fourche effectue
cent vibrations par seconde : à la fin de la seconde, l'onde générée
par la vibration au début de la seconde aurait parcouru, disons,
1100 pieds ; et, uniformément réparties entre la fourche
et la limite extérieure, seraient disposées les ondes intermédiaires
occupant toute la distance : autrement dit, sur 1100 pieds, il y aurait
cent ondes sonores, chacune mesurant évidemment 11 pieds de long.
Si la fourche produisait 1100 vibrations par seconde, chacune de ces ondes
mesurerait 30 centimètres de long ; car les ondes sonores de toutes
longueurs se propagent dans l'air avec la même rapidité.
Des expériences récentes semblent montrer que l'amplitude
réelle du mouvement de l'air, lorsqu'il est mû par un son
aussi aigu que celui d'un petit sifflet, est inférieure au millionième
de pouce.
La hauteur d'un son dépend entièrement du nombre de vibrations
par seconde qui le produisent ; et si l'un des deux sons est constitué
de deux fois plus de vibrations par seconde que l'autre, ils diffèrent
en hauteur par l'intervalle appelé en musique une octave, ce dernier
terme signifiant simplement le nombre d'intervalles dans lesquels se divise
l'intervalle le plus grand. est divisée pour l'échelle musicale
ordinaire. La différence entre un son aigu et un son grave réside
simplement dans le nombre de vibrations de l'air atteignant l'oreille
en un temps donné. Les intervalles plus petits qui divisent l'octave
entretiennent des relations mathématiques lorsqu'ils sont correctement
produits et sont représentés par les fractions suivantes
:
Ces nombres doivent être interprétés ainsi : supposons
un diapason produisant 256 vibrations par seconde : le son sera celui
de la hauteur standard ou de concert pour le do sur la ligne ajoutée,
comme indiqué sur la portée. Or, ré, correctement
accordé, produira 9 vibrations, tandis que do n'en produira que
8 ; or, comme do produit ici 256, ré doit produire 256 ×
9/8 = 288. De même, sol est produit par 256 × 3/2 = 384, et
do au-dessus par 256 × 2 = 512, et ainsi de suite pour tous les
autres. Si d'autres sons sont utilisés dans l'octave supérieure
ou inférieure, le nombre de vibrations d'une note donnée
peut être calculé en doublant ou en divisant par deux le
nombre de vibrations de la note correspondante dans l'octave donnée.
Ainsi, le sol inférieur sera égal à 384 / 2 = 192,
et le sol supérieur à 384 × 2 = 768.
Au cours du siècle dernier, la hauteur de ton standard a connu
une élévation assez constante, et ce, d'une manière
très curieuse et insoupçonnée. Le diapason a été
l'instrument privilégié pour préserver la hauteur
de ton, car c'est le meilleur instrument disponible à cet effet,
pratique à utiliser et ne variant pas comme la plupart des autres
instruments de musique. Mais un diapason est ajusté à sa
hauteur avec une lime, ce qui le réchauffe légèrement,
de sorte qu'au moment où il est accordé avec le diapason
à reproduire, il dépasse sa température normale ;
et lorsqu'il refroidit, sa sonorité s'élève. Lorsqu'un
autre diapason est fabriqué dans la même hauteur que celui-ci,
le même phénomène se reproduit ; et ainsi de suite
jusqu'à ce que la hauteur de ton soit presque un ton plus élevée
qu'à l'époque de Haendel.
Les diapasons A et C sont disponibles dans les magasins de musique, les
diapasons varient souvent beaucoup par rapport à la hauteur tonale
habituelle. Les diapasons mesurés par l'auteur étaient généralement
trop aigus, dépassant parfois de dix vibrations ou plus par seconde
le nombre correct. Les diapasons fabriqués par M. Köenig à
Paris sont précis au dixième de vibration près, le
do produisant 256 vibrations par seconde.
LIMITES DE L'AUDIBILITÉ.
De nombreuses expériences ont été menées pour
déterminer les limites des sons audibles ; on constate ici une
très grande différence de perception des sons entre les
individus. Helmholtz affirme qu'environ 23 vibrations par seconde constituent
le nombre minimal de vibrations pouvant être perçues comme
un son continu ; si elles sont inférieures, elles sont perçues
comme des bruits distincts, comme lorsqu'on frappe à une porte
quatre ou cinq fois par seconde. Si l'on pouvait frapper régulièrement
23 fois par seconde, on produirait un son musical continu d'une hauteur
très basse. Mais cette limite de 23 vibrations n'est pas universelle
: certains peuvent entendre un son continu avec seulement 16 ou 18 vibrations
par seconde, tandis que d'autres sons des instruments de musique sont
aussi éloignés du médium que celui-ci l'est en dessous.
Les limites sonores des instruments de musique se situent presque toutes
dans la tessiture d'un pianoforte de sept octaves, de fa à fa,
soit entre 42 et 5 460 vibrations par seconde. Mais ce nombre élevé
est loin de la limite supérieure des sons audibles par l'homme.
De nombreux sons familiers d'insectes, comme ceux des grillons et des
moustiques, ont une tonalité beaucoup plus aiguë. Helmholtz
situe cette limite supérieure à 38 000 vibrations par seconde,
et Despraetz à 36 850. L'écart entre les résultats
est uniquement dû à la différence marquée de
perception acoustique entre les individus.
Pour produire des sons musicaux aigus, Köenig de Paris fabrique un
jeu de tiges d'acier. Une tige d'acier d'une longueur, d'un diamètre
et d'un état de trempe donnés produit un son musical dont
la valeur peut être déterminée. La longueur appropriée
pour d'autres tiges, permettant d'obtenir des sons plus aigus, peut être
déterminée selon la règle selon laquelle le nombre
de vibrations est inversement proportionnel au carré de la longueur
de la tige.
Les dimensions de ces tiges lorsqu'elles mesurent 2 cm de diamètre
sont les suivantes :
Longueur. Vibrations.
66,2 mm 20 000
59,1 " " 25 000
53,8 " " 30 000
50,1 " " 35 000
47,5 " " 40 000
Ces tiges doivent être suspendues à des boucles de soie,
et frappées avec un morceau d'acier si court qu'il est totalement
inaudible pour une oreille. On n'entend qu'un léger bruit sourd
lorsqu'il frappe, tandis que les autres émettent un tintement distinct.
En expérimentant avec un tel ensemble de tiges d'acier, je n'ai
encore trouvé personne capable d'entendre jusqu'à 25 000
sons par seconde, ma propre limite étant d'environ 21 000. Cependant,
des expériences ont démontré que les enfants et les
adolescents ont une capacité de perception des sons aigus considérablement
supérieure à celle des adultes. Le Dr Clarence Blake, de
Boston, rapporte le cas d'une femme dont l'audition avait progressivement
diminué pendant quelques années, jusqu'à ce qu'elle
ne puisse plus entendre du tout d'une oreille, et que le tic-tac d'une
montre ne soit perçu qu'avec l'autre, lorsque la montre était
maintenue contre l'oreille. Après le traitement, on a découvert
que la sensibilité aux sons aigus était très grande
et qu'elle pouvait entendre la tige d'acier avec un ton de 40 000 vibrations.
L'année dernière, M. F. Galton, FRS, a présenté
à la Conférence scientifique un instrument en forme de très
petit sifflet, conçu pour produire un son très aigu. Le
sifflet avait un diamètre inférieur à 1/25 de pouce.
Sa longueur pouvait être modifiée en déplaçant
un bouchon à son extrémité. Il était facile
de produire un son avec un tel instrument, hors de portée de voix.
M. Galton a réalisé des expériences très intéressantes
sur des animaux en utilisant ces sifflets. Il a parcouru le jardin zoologique
et a produit des sons aigus près des oreilles de tous les animaux.
Certains dressaient l'oreille, montrant qu'ils entendaient le son ; d'autres,
apparemment, ne l'entendaient pas. Il affirme que parmi tous les animaux,
le chat percevait le son le plus aigu. Les petits chiens peuvent également
entendre des notes très aiguës, contrairement aux plus grands.
Les bovins perçoivent des sons plus aigus que les chevaux. Le cri
des chauves-souris et des souris est inaudible pour beaucoup de personnes
qui perçoivent les sons ordinaires aussi bien que n'importe qui
; l'acuité auditive n'ayant rien à voir avec les limites
de l'audition.
EFFETS DU SON SUR D'AUTRES CORPS.
Si l'on tient un diapason vibrant près d'un corps délicatement
suspendu, ce dernier se rapprochera du diapason, comme s'il était
poussé par une force d'attraction. L'expérience peut être
réalisée en attachant un morceau de papier d'environ un
pouce carré à une paille de cinq à six pouces de
long, puis en suspendant la paille à un fil, de manière
à ce qu'elle soit en équilibre horizontal. Approchez le
diapason vibrant à un quart de pouce du papier. Dans ce cas, le
mouvement de rapprochement est dû au fait que la pression de l'air
est moins forte à proximité d'un corps vibrant qu'à
distance ; la pression est donc légèrement plus forte du
côté du papier éloigné du diapason que du côté
adjacent.
Si l'on tient un diapason vibrant près de l'oreille et qu'on le
tourne, on peut trouver quatre endroits dans une même rotation où
le son sera très faiblement entendu, tandis qu'à tout autre
endroit, il sera assez distinct. L'extinction du son est due à
ce qu'on appelle l'interférence. Chaque branche de la fourche émet
une onde sonore simultanément, mais en directions opposées,
chaque onde progressant vers l'extérieur dans toutes les directions.
Lorsque la partie raréfiée d'une onde équilibre exactement
la partie condensée de l'autre, le son s'éteindra naturellement
; ces lignes d'interférence se révèlent être
des hyperboles, ou, si l'on considère les deux ondes entières,
deux surfaces hyperboliques.
VIBRATIONS SYMPATHIQUES.
Une fois compris qu'un son musical est causé par des vibrations
plus ou moins fréquentes qui seules déterminent la différence
que nous appelons hauteur, on peut immédiatement en déduire
que si nous avions un corps capable de vibrer, disons, cent fois par seconde,
et qu'il recevait cent impulsions ou poussées par seconde, il serait
ainsi amené à vibrer. Supposons donc que nous prnons deux
diapasons, chacun capable de vibrer 256 fois par seconde : si l'on en
frappe un tandis que l'autre est laissé libre, le premier transmettra
à l'air 256 impulsions par seconde, qui atteindront l'autre diapason,
chaque impulsion tendant à le déplacer légèrement,
le résultat cumulé étant de le faire bouger sensiblement,
c'est-à-dire de produire un son. Le principe est identique à
celui employé pour la balançoire classique. Une poussée
fait bouger légèrement la balançoire, à son
retour, une autre est donnée, de même une troisième,
et ainsi de suite jusqu'à ce qu'une personne puisse être
projetée à plusieurs mètres de hauteur. Si l'on frappe
un verre, il produit un son musical d'une certaine hauteur, qui fera résonner
une corde de piano accordée à la même hauteur, à
condition de lever l'étouffoir. On dit que certaines personnes
ont brisé des diapasons en chantant fort près d'elles la
même note que les diapasons pouvaient produire, les vibrations des
diapasons étant si fortes qu'elles ont détruit la cohésion
des molécules.
Il existe de très nombreux effets intéressants dus aux vibrations
sympathiques.
Les grands arbres sont parfois déracinés par le vent. Ils
soufflent par rafales rythmées par la vibration de l'arbre. Lorsque
des troupes de soldats doivent traverser un pont, la musique cesse et
les rangs sont dispersés, de peur que la tension accumulée
des vibrations rythmées ne brise la structure ; de tels accidents
se sont d'ailleurs produits à plusieurs reprises. Un pont est moins
dangereux lorsqu'il est lourdement chargé d'hommes ou de bétail
que lorsqu'il est traversé par quelques hommes. " Lors de
la construction du pont de fer de Colebrooke Dale, un violoniste est arrivé
et a dit aux ouvriers qu'il pouvait démonter leur pont. Les constructeurs
ont pris cette vantardise pour un violon et ont invité le musicien
à jouer à sa guise. Une note après l'autre a été
frappée sur les cordes, jusqu'à ce qu'une note compatible
avec le pont soit trouvée. Lorsque le pont a commencé à
trembler violemment, les ouvriers, alarmés par le résultat
inattendu, ont ordonné au violoniste de s'arrêter. "
Certaines salles et églises sont mal adaptées pour entendre
des discours ou des chants. Si des fils sont tendus à travers de
telles salles, entre le pupitre de l'orateur et l'extrémité
opposée, ils absorbent les ondes sonores et vibrer par sympathie,
évitant ainsi dans une large mesure les échos parasites.
Le fil doit être une corde à piano plutôt fine, suffisamment
tendue pour produire un son doux et musical lorsqu'on la pince. Dans une
grande salle, il devrait y avoir au moins vingt fils de ce type.
RÉSONANCE.
Lorsqu'on frappe un diapason et qu'on le tient en l'air, les vibrations
sont perceptibles un instant par les doigts ; mais le son est difficilement
audible si le diapason n'est pas placé près de l'oreille.
Que le manche du diapason repose sur une table, une chaise ou tout autre
objet solide de taille considérable, le son est tellement amplifié
qu'il est entendu dans toute la pièce. La raison semble être
que, dans le premier cas, les vibrations sont si faibles que l'air n'est
pas beaucoup affecté. La majeure partie de la force des vibrations
est absorbée par la main qui le tient ; mais lorsque le manche
repose sur un objet dur de grande taille, les vibrations lui sont transmises,
et chaque partie de sa surface les transmet à l'air. en d'autres
termes, c'est un corps beaucoup plus grand qui vibre maintenant, et par
conséquent l'air reçoit les ondes sonores amplifiées.
Si la tige de la fourche avait été posée sur un morceau
de caoutchouc, non seulement le son n'aurait pas été renforcé
de cette manière, mais la fourche aurait très vite été
amenée au repos ; car le caoutchouc indien absorbe les vibrations
sonores et les convertit en vibrations thermiques, comme le prouve le
placement d'une telle combinaison sur la face d'une thermopile.
Si l'on pose la main sur une table ou sur le dossier d'une chaise dans
une pièce où l'on joue du piano ou de l'orgue, ou où
l'on chante, surtout à l'église, on ne peut manquer de sentir
le son ; et s'il observe attentivement, on s'apercevra que certains sons
font trembler la table ou le siège beaucoup plus vigoureusement
que d'autres, ce qui constitue un véritable cas de vibrations sympathiques.
C'est pourquoi des matériaux et des formes spécifiques sont
donnés aux différentes parties des instruments de musique,
afin qu'elles puissent réagir aux différentes vibrations
des cordes ou des anches. Par exemple, le piano est doté d'une
large et fine planche d'épicéa. Sous toutes les cordes,
on trouve la table d'harmonie. Cette table capte les vibrations des cordes,
mais, contrairement au caoutchouc, les restitue à l'air, renforçant
considérablement leur force et modifiant quelque peu leur qualité.
L'air lui-même peut agir de la même manière. Dans presque
toutes les pièces ou tous les halls ne dépassant pas cinq
à six mètres de long, une personne peut percevoir un ton
de voix qui semble rencontrer une réponse de la pièce. De
courts tunnels, situés à certains endroits, produisent des
sons très puissants, réactifs et résonnants. Il en
existe certainement un à Central Park, à New York. Il mesure
douze à quinze mètres de long. Pour une personne se tenant
au milieu, parlant ou émettant un son quelconque à une certaine
hauteur, la résonance est presque assourdissante. C'est facile
à comprendre. Lorsqu'une colonne d'air enfermée dans un
tube est mise en vibration par un son dont la longueur d'onde est deux
fois supérieure à celle du tube, cette colonne d'air est
tantôt remplie de la partie condensée de l'onde, tantôt
de la partie raréfiée ; et comme ces mouvements ne peuvent
pas être effectués latéralement, mais doivent se déplacer
dans le sens de la longueur du tube, l'air a une très grande amplitude
de mouvement et un son très fort. Si une extrémité
du tube est fermée, sa longueur ne doit représenter qu'un
quart de la longueur d'onde du son. Prenez un diapason d'une hauteur convenable,
par exemple un do de 512 vibrations par seconde : maintenez-le en vibration
au-dessus d'un tube à essai vertical d'environ vingt centimètres
de long. Aucune réponse ne sera entendue ; mais si l'on verse avec
précaution un peu d'eau dans le tube sur une profondeur d'environ
cinq centimètres, le tube répondra fortement, de sorte qu'il
pourrait être entendu dans une grande salle. Dans ce cas, la longueur
de la colonne d'air qui répondait, étant un quart de la
longueur d'onde, donnerait une longueur d'onde de vingt-quatre centimètres
pour ce diapason.
Il est ainsi facile de mesurer approximativement le nombre de vibrations
produites par une fourche.
Location l = profondeur du tube,
d = diamètre du tube,
v = vitesse du son réduite en fonction de la température,
N = nombre de vibrations,
Alors N = v .
(4( l + d ))
Lorsqu'un diapason vibrant est placé face à l'embouchure
d'un tuyau d'orgue de même hauteur, le tuyau résonne, produisant
un son d'une ampleur considérable. En 1872, il m'est venu à
l'esprit que l'action d'un tuyau d'orgue pourrait être comparable
à celle d'une anche vibrante devant l'embouchure. Lorsque l'air
est expulsé du soufflet, il se présente comme une fine bande
élastique ; et, grâce à sa vitesse considérable,
il emporte par frottement une partie de l'air du tube. Ceci raréfie
légèrement l'air du tube et une onde de condensation se
propage dans le tube. À la base, brusquement arrêtée,
sa réaction se fait partiellement vers l'extérieur, éloignant
ainsi la bande d'air du tube. Ensuite, pour une raison similaire, survient
l'autre phase de l'onde, la raréfaction, qui projette la bande
d'air vers le tube. J'ai vérifié cette théorie en
remplissant le soufflet de fumée et en observant le mouvement de
l'air et de la fumée qui s'échappaient à l'aide d'un
stroboscope. Ce point de vue est aujourd'hui défendu par un facteur
d'orgues anglais, Herman Smith ; mais je ne sais pas s'il l'a découvert
avant ou après moi.
Lorsqu'une membrane vibre, son mouvement est généralement
perceptible à l'œil nu ; son amplitude peut être très
grande, comme dans le cas du tambour. Divers instruments ont été
conçus pour l'étude des vibrations, utilisant des membranes
comme le caoutchouc, la peau de batteur d'or, ou même du papier
de soie, pour les recevoir. Le peigne était l'un des instruments
de musique d'une ancienne génération de garçons.
Une bande de papier était placée devant elle, placée
à la bouche, et on chantait à travers, le papier répondant
à la hauteur par un son nasillard et relâché. Köenig
fixait une membrane sur une petite capsule, dont un côté
était relié par un tube à une source sonore, et l'autre
côté à un tuyau de gaz et à un petit brûleur.
Un son émis dans le tube faisait vibrer la flamme, et un miroir
se déplaçant devant la flamme dessinait un contour en zigzag
correspondant aux vibrations sonores.
De la même manière, si un caoutchouc fin est tendu sur l'extrémité
d'un tube d'un ou deux pouces de diamètre et de quatre ou cinq
pouces de long, et qu'un morceau de miroir d'un quart de pouce carré
est fixé au milieu de la membrane, le mouvement peut être
observés en laissant un rayon de soleil tomber sur le miroir de
manière à ce qu'il se reflète sur un mur blanc ou
un écran à quelques mètres de distance. (Fig. 8.
)
Lorsqu'un son est émis dans ce tube, le point lumineux prend immédiatement
une forme particulière : soit une ligne droite traversée
de nœuds lumineux, soit une courbe simple ou composée, appelée
courbe de Lissajous. Si, pendant que certaines de ces formes sont affichées
sur l'écran, l'instrument est déplacé latéralement,
les formes se transforment en lignes ondulantes, avec ou sans boucles,
variant selon la hauteur et l'intensité, mais restant identiques
pour une hauteur et une intensité identiques. (Fig. 9 )
J'ai appelé cet instrument l'opéidoscope.
La vibration d'une membrane et celle d'un solide diffèrent principalement
par leur amplitude. Le grattement d'une épingle à l'extrémité
d'une longue bûche peut être entendu par une oreille appliquée
à l'autre extrémité ; mais chaque molécule
de la bûche doit se déplacer légèrement ; et
il existe tous les degrés de mouvement entre le mouvement visible
à l'œil nu, que nous appelons mouvement de masse, et celui
que nous appelons moléculaire, simplement parce que nous ne pouvons
pas mesurer l'amplitude du mouvement. On peut donc diviser grossièrement
tous les corps en deux classes, selon leurs relations avec le son : ceux
qui le renforcent et ceux qui le diffusent : la première dépend
de la forme du corps, en relation avec un son particulier ; la seconde,
indépendante de la forme, réagit à tous les ordres
de vibrations. L'air, le bois et les métaux appartiennent à
cette dernière classe. Le télégraphe à cordelette,
ou télégraphe des amoureux , en est un exemple. De cette
classe. Deux boîtes en fer blanc sont reliées par une ficelle
passant au milieu de leur fond. Lorsque la ficelle est tendue et qu'une
personne parle dans une boîte, ce qui est dit est audible par l'oreille
appliquée à l'autre. Si les tubes acoustiques ont un diamètre
et une profondeur d'environ dix centimètres, ils sont capables
de rendre bien plus de services qu'on ne le pense généralement.
Je connais deux lignes, l'une de cinq cents pieds et l'autre de mille
pieds de long, sur lesquelles on peut parler et être entendu distinctement.
Sur la ligne de mille pieds, l'extrémité du tube est en
peau de mouton tendue, et la ligne est en fil de coton n° 8. Plus
la tension est forte, meilleure est la transmission du son. Le fil est
maintenu par intervalles en passant dans une boucle aux extrémités
de cordes d'au moins un mètre de long, fixées à des
supports. Le fil perce la membrane et est attaché à un petit
bouton en contact avec celle-ci. Le vent et la pluie ont un effet néfaste
sur cette ligne. L'autre ligne de cinq cents pieds, entre un dépôt
de passagers et un dépôt de marchandises, a l'extrémité
du tube est recouverte de cuir de veau tendu. Au lieu de fil, on utilise
un fil de cuivre relais (n'importe quel petit fil non isolé fera
l'affaire). Cela permet une bonne tension et est insensible aux intempéries.
On peut se tenir devant à environ un mètre et converser
aisément, sur un ton ordinaire. Le fil est soutenu par des boucles
de ficelle, comme dans l'autre cas.
De tout temps, les musiciens ont utilisé divers instruments pour
produire des effets musicaux. Les hommes préhistoriques utilisaient
des sifflets en os, certains dotés de trous pour les doigts permettant
de produire différentes sonorités. On a également
retrouvé une corne de cerf, jouée comme un flageolet et
dotée de trois trous pour les doigts. Sur les anciens monuments
égyptiens, on trouve des harpes, des pipes à sept trous,
une sorte de flûte, des tambours, des tambourins, des cymbales et
des trompettes. Plus tard, ces formes primitives ont été
modifiées pour donner naissance aux divers instruments utilisés
dans l'orchestre moderne. Il semble qu'aucun musicien ne se soit jamais
intéressé à la question de savoir pourquoi un instrument
pouvait produire un son si différent d'un autre, même s'il
était résonnant sur la même hauteur. Personne ne peut
confondre le son d'un violon, d'un cor ou d'un piano avec celui d'un autre
instrument ; et il n'existe pas deux personnes qui aient une voix identique.
Cette différence de ton, qui permet d'identifier un instrument
à sa sonorité ou un ami à sa voix, s'appelle la qualité
du ton, ou timbre .
Il y a une vingtaine d'années, le grand physicien allemand Helmholtz
entreprit l'investigation de ce sujet et réussit à percer
tout le mystère des qualités du son.
Il découvrit d'abord qu'un son musical est très rarement
une simple note, mais qu'il est composé de plusieurs notes, parfois
jusqu'à dix ou quinze, d'intensité et de hauteur variables.
Le son le plus grave, qui est aussi le plus fort, est appelé la
fondamentale ; c'est à cette note que nous faisons référence
lorsque nous parlons de la hauteur d'un son, comme la hauteur du do médian
d'un piano ou la hauteur de la corde de la d'un violon. Les sons plus
aigus qui accompagnent la fondamentale sont parfois appelés harmoniques,
parfois notes partielles supérieures, mais généralement
harmoniques . Le caractère ou la qualité d'un son dépend
entièrement du nombre et de l'intensité de ces harmoniques
associées à la fondamentale. Si un son composé exclusivement
de la fondamentale, sans harmoniques, peut être reproduit sur un
flûte et un violon, les deux instruments produisent un son absolument
identique. C'est extrêmement difficile à réaliser
; et un tel son, une fois produit, est doux, mais sans caractère
et désagréable.
Deuxièmement, Helmholtz a découvert que les harmoniques
sont toujours dans la relation mathématique la plus simple avec
le ton fondamental : en fait, elles sont de simples multiples de ce ton,
soit deux, trois, quatre, et ainsi de suite, fois le nombre de ses vibrations.
Cela sera facilement compris en considérant la position de ces
sons apparentés lorsqu'ils sont écrits sur la portée.
Si nous commençons par le do dans la basse comme indiqué
sur la portée, en appelant cela la fondamentale, alors les notes
qui représenteront les rapports ci-dessus sont celles indiquées
par des notes plus petites, qui sont les harmoniques jusqu'à la
neuvième. La première harmonique, produite par deux fois
le nombre de vibrations, doit être l'octave ; la seconde, la quinte
de la deuxième octave ; la troisième sera à deux
octaves de la première, et ainsi de suite : le nombre de vibrations
de chacune de ces notes étant le nombre de la fondamentale multiplié
par son rang dans la série.
En prenant C avec 128 vibrations, nous avons pour cette série :
128 × 1 = 128 = C fondamental.
128 × 2 = 256 = C´.
128 × 3 = 384 = G´.
128 × 4 = 512 = C´´.
128 × 5 = 640 = E´´.
128 × 6 = 768 = G´´.
128 × 7 = 896 = Si´´.
128 × 8 = 1 024 = C´´´.
128 × 9 = 1 152 = D´´´.
128 × 10 = 1 280 = E´´´.
Cette série se poursuit jusqu'aux limites de l'audition. Il semble
désormais que tous les instruments le fassent. Il n'est pas possible
de donner la série complète : en effet, il est impossible
de les obtenir toutes sur certains instruments. Cependant, chacune d'elles,
lorsqu'elle est présente, contribue à l'effet général
que nous appelons qualité. Parfois, les harmoniques sont plus prononcées
que la fondamentale, comme lorsqu'on frappe une corde de piano avec un
clou. On a toujours remarqué que la corde ne produit pas le son
souhaité lorsqu'elle est frappée de cette manière.
C'est donc l'art du facteur d'instruments de construire l'instrument de
manière à développer et à renforcer les sons
agréables, et à supprimer les harmoniques gênantes
et désagréables. Les facteurs de pianos ont appris par essais
où frapper la corde tendue pour produire le son le plus musical
; mais aucune explication n'a pu être fournie jusqu'à ce
qu'on constate que frapper la corde à un point situé à
environ un septième ou un neuvième de sa longueur de chaque
extrémité empêchait le développement des harmoniques
indésirables, la septième et la neuvième. De ce fait,
on les entend difficilement sur un instrument correctement construit.
Ces harmoniques sont très discordantes avec les sons plus graves.
Les tuyaux d'orgue ont leurs qualités spécifiques en les
rendant à large ouverture, à ouverture étroite, coniques,
etc. ; des formes dont l'expérience a déterminé qu'elles
donnent des sons agréables avec des qualités différentes.
Le violon est un instrument qui semble intriguer les luthiers plus que
tout autre. Certains des vieux violons fabriqués il y a deux siècles
par la famille Amati à Crémone valent bien plus que leur
pesant d'or. Les luthiers récents ont tenté en vain de les
égaler ; mais, lorsque leur ingéniosité et leur savoir-faire
ont échoué, ils affirment que l'âge joue un rôle
important dans la fabrication de tels instruments, qu'il adoucit la sonorité
du violon. Mais les violons de Crémone étaient des instruments
tout aussi extraordinaires à leur sortie des mains des luthiers
qu'ils le sont aujourd'hui ; et la renommée de la famille Amati,
comme luthiers, s'étendait à toute l'Europe de leur vivant.
Un bon violon, lorsqu'il est bien joué, produit un effet musical
exquis et, en raison de sa portée et de la qualité de ses
tons, il est l'instrument d'orchestre principal, toujours agréable
et satisfaisant ; mais dans des mains non expertes, même le meilleur
Crémone produira des sons qui feront regretter qu'il ait jamais
existé. Il a été inventé. Des harmoniques
de toutes sortes et de tous degrés de proéminence peuvent
y être facilement développées : c'est pourquoi le
violoniste habile tend l'archet à un endroit précis des
cordes pour développer les harmoniques souhaitées et supprimer
celles qui ne le sont pas. La règle générale est
de tendre l'archet environ un pouce sous le chevalet ; mais l'emplacement
de l'archet dépend de l'emplacement des doigts qui bloquent les
cordes, ainsi que de la pression exercée. Jouer du violon avec
brio exige une pratique quasi incroyable.
Dans le tableau ci-joint, vous trouverez les éléments constitutifs
des sons de quelques instruments d'usage courant.
COMPOSITION TONALE.
Les composantes des sons sont indiquées par des lignes dans la
colonne située sous les chiffres représentant la série.
Ainsi, le tuyau d'orgue à jeux étroits produit un son composé
d'une fondamentale et d'harmoniques dont le nombre de vibrations est trois,
cinq, sept et neuf fois supérieur à celui de la fondamentale.
Il ne faut pas en déduire que toutes les harmoniques sont de force
égale : elles sont très loin d'être égales
à cela; mais celles-ci diffèrentes dans des instruments
différents, et c'est ce qui constitue la différence entre
un bon instrument et un mauvais instrument du même nom.
Dans certains espaces, de très légers traits sont tracés
pour indiquer que ces harmoniques sont très faibles. Par exemple,
le piano présente les sixtes, septièmes et huitièmes
ainsi marquées ; ces sons sont supprimés par le mécanisme,
comme décrit précédemment.
Seules quelques-unes des nombreuses formes de tuyaux d'orgue sont données
; mais elles suffisent à montrer quelle différence physique
il existe entre les tons musicaux de ces tuyaux.
Quant à la voix humaine, elle est très riche en harmoniques
; mais il n'existe pas deux voix identiques, il serait donc impossible
de répertorier ses composants de la même manière qu'ils
le sont pour les instruments de musique.
Dans les expériences d'analyse des sons de Helmholtz, le principe
de résonance d'un volume d'air enfermé dans un récipient
a été utilisé. Dans l'expérience du diapason
pour déterminer la longueur d'onde (p. 78) , on remarque qu'aucune
réponse n'est produite. Le volume d'air dans le tube a été
réduit à une certaine longueur, fonction du nombre de vibrations
de la fourche. Si une bouteille avait été utilisée
au lieu d'un tube à essai, le résultat aurait été
identique. Tout récipient peut réagir à un son d'une
longueur d'onde définie, et une sphère s'est avérée
donner les meilleurs résultats. Ces récipients sont percés
d'un côté pour l'entrée de l'onde sonore, et d'une
saillie sur le côté opposé, percée d'un trou
d'environ un huitième de pouce, destiné à être
placé dans l'oreille. Tout son émis devant le grand orifice
ne rencontrera aucune réponse, sauf celui que la sphère
peut naturellement amplifier, et qui sera alors clairement audible. Supposons
alors que l'on dispose d'une série de vingt ou plus de ces récipients,
gradués en taille pour amplifier les sons selon un rapport de un,
deux, trois, quatre, etc. Prenez un instrument, par exemple une flûte
: demandez à quelqu'un de souffler à la hauteur appropriée
pour répondre à la plus grande sphère, puis prenez
chaque sphère dans son ordre, et appliquez-les à l'oreille
pendant que la flûte joue. Lorsque les harmoniques sont présentes
elle seront entendues clairement et distinctement du son fondamental.
De la même manière, tous les autres sons peuvent être
étudiés.
Mais Helmholtz ne s'arrêta pas à analyser des sons de toutes
sortes : il inventa une méthode de synthèse permettant d'imiter
les sons de n'importe quel instrument. Un diapason, mis en vibration par
un courant électrique, produit un son sans harmoniques ni harmoniques.
Ainsi, si une série de diapasons dont les périodes de vibration
sont égales au nombre d'harmoniques de la série donnée
à la page 86 est disposée de manière à pouvoir
faire vibrer n'importe lequel d'entre eux à volonté, il
est évident que le son composé obtenu serait comparable
à celui d'un instrument possédant de telles harmoniques.
Ainsi, si à un diapason produisant un do fondamental étaient
associés d'autres diapasons produisant deux, trois et quatre fois
le nombre de la fondamentale, chacun produisant un son simple, nous obtiendrions
comme résultat le son d'une flûte, comme indiqué à
la page 91. Si l'on faisait vibrer un, trois, cinq, sept et neuf, le son
obtenu serait celui de la clarinette, et ainsi de suite. Il y est parvenu
et maintenant, les créateurs des appareils physiques font justement
la publicité de tels instruments.
Helmholtz a également conçu un ensemble de diapasons qui,
lorsqu'ils sont inclinés, produisent les sons des voyelles comme
la voix.
Il a été remarqué, page 89 , qu'il est généralement
admis que l'âge adoucit le son d'un violon. Une fois en possession
des faits concernant le son évoqués dans les pages précédentes,
on comprend aisément l'origine de cette opinion, et son erreur.
Il est prouvé de manière concluante que la capacité
à entendre les sons aigus diminue avec l'âge. Comme le violon
produit un très grand nombre d'harmoniques, jusqu'aux limites de
l'audibilité, il est évident que si un tel instrument ne
change pas le moins du monde sa qualité sonore, un homme qui en
jouerait pendant plusieurs années semblerait le modifier en soustrayant
certaines des harmoniques les plus aiguës du son ; autrement dit,
il semblerait devenir plus doux. Rien ne prouve qu'un tel changement physique
se produise dans l'instrument. Il n'est pas affirmé ici qu'il n'y
ait aucun changement. C'est peut-être probable ; mais les seules
preuves dont nous disposons proviennent des opinions de personnes dont
nous savons que l'audition change ; et ce changement est susceptible de
modifier le jugement quant à la qualité du son dans la même
direction. Avant de pouvoir affirmer qu'un changement physique se produit
dans le violon au point d'entraîner une différence perceptible
dans la qualité de sa sonorité, il sera nécessaire
de déterminer avec précision le nombre et l'intensité
des harmoniques à intervalles réguliers sur plusieurs années,
puis de les comparer. Cela n'a pas encore été fait.
FORME D'UNE ONDE SONORE COMPOSÉE DANS L'AIR.
La page donne une représentation de la forme d'une onde sonore
simple dans l'air.
Cette onde, comme décrit précédemment, se compose
de deux parties : une condensation et une raréfaction. Toutes les
ondes sonores simples ont une telle forme ; mais lorsque deux ou plusieurs
ondes sonores, en rapport simple entre elles, comme les sons d'instruments
de musique, se forment dans l'air, l'onde résultante présente
une structure plus ou moins complexe ; et ce, lorsqu'elle comporte de
nombreuses composantes, comme c'est le cas lorsqu'il existe différents
types de sons. Lorsque tous les instruments sonnent simultanément,
il est quasiment impossible de se représenter, même approximativement,
la forme de ces combinaisons d'ondes. Dans les traités sur le son,
on utilise généralement des ordonnées représentant
les facteurs et leurs intensités relatives. Lorsque les extrémités
des ordonnées sont reliées, on obtient une ligne courbe
présentant des boucles régulières. Cela ne donne
pas une idée précise de la forme de l'onde, car le mouvement
d'une particule d'air ne se fait pas de haut en bas comme un corps flottant
sur l'eau ondulante, mais d'avant en arrière, dans la direction
du mouvement de l'onde.
Sur la figure 10, trois ondes sonores simples sont représentées
en 1, 2 et 3, chacune ayant les longueurs d'onde 1, 2 et 3. Sur la figure
4, les trois sont combinées en une seule onde composée et
illustrent mieux la forme d'une section transversale d'une telle onde
sonore dans l'air. Le tuyau d'orgue, appelé principal, produit
une onde composée, comme le montre le tableau de la page 91. La
seconde harmonique, cependant, est très faible dans ce tuyau, ce
qui modifie la forme au point de diminuer quelque peu la densité
en b et de l'augmenter en a .
De la même manière, l'espace dans la longueur du son fondamental,
quel qu'il soit, est divisé en un certain nombre de condensations
et de raréfactions mineures, qui peuvent se renforcer mutuellement,
ou interférer de manière à changer la position des
deux ; comme on le voit sur la figure en b , où la condensation
due à l'onde 2 interfère avec la raréfaction de 3.
CORRÉLATION.
Après avoir traité en détail les trois facteurs impliqués
dans la téléphonie, à savoir l'électricité,
le magnétisme et le son, il reste à suivre les différentes
étapes qui ont conduit à la transmission réelle des
sons musicaux et de la parole sur un circuit électrique ordinaire.
Il est indiqué à la page 31 que, lorsqu'un courant électrique
traverse une bobine de fil entourant une tige de fer doux, cette dernière
devient un aimant temporaire : elle perd sa propriété magnétique
dès que le courant cesse. Si la tige est de taille considérable,
disons 30 cm ou plus de longueur et 1,27 cm ou plus de diamètre,
et que le courant est suffisamment fort pour en faire un aimant puissant,
chaque fois que le courant de la batterie est interrompu, la barre peut
émettre un simple clic . Ce phénomène se produit
aussi souvent que le courant est interrompu. Ce phénomène
est dû à un mouvement moléculaire résultant
lors d'une modification de la longueur de la barre. Lorsqu'elle devient
un aimant, elle s'allonge d'environ 1/25 000 de sa longueur ; et, lorsqu'elle
perd son magnétisme, elle retrouve soudainement sa longueur initiale
; cette modification s'accompagne d'un son. Ce son a été
observé pour la première fois par le professeur C.G. Page
de Salem, dans le Massachusetts, en 1837. Si l'on parvient à interrompre
un tel circuit plus de quinze ou seize fois par seconde, on obtient un
son continu dont la hauteur dépend du nombre de clics par seconde.
Ce dispositif a été inventé par le même homme.
Il consistait à fixer l'armature d'un électro-aimant à
un ressort présent dans le circuit lorsque celui-ci appuyait sur
un bouton métallique. Le courant créait alors le circuit
dans la bobine de l'électro-aimant. L'aimant, attirant l'armature
loin du bouton, interrompait le circuit, ce qui détruisait le magnétisme
de l'aimant et permettait au ressort de revenir contre le bouton, complétant
ainsi le circuit et reproduisant la même série de modifications.
La rapidité avec laquelle le courant peut être interrompu
de cette manière n'est limitée que par la force du ressort
et du courant. plus la tension du ressort avec un courant donné
est grande, plus grand sera le nombre de vibrations qu'il produira.
Supposons qu'un courant intermittent traverse la bobine entourant la tige
de fer doux 256 fois par seconde ; la tige produirait alors 256 clics
par seconde, correspondant à la hauteur de do. Lorsque ces clics
sont produits lorsque la tige est tenue en main, le son est à peine
perceptible, comparable à celui d'un diapason. Pour l'amplifier,
il est nécessaire de la placer sur une surface résonnante.
Il est courant de la monter sur un boîtier oblong percé d'un
ou deux trous sur sa face supérieure, car cette forme produit une
réponse plus forte que toute autre et est généralement
celle des harpes éoliennes. La coupe ci-jointe montre l'assemblage
de la batterie B, du disjoncteur et de la tige montée sur le boîtier.
Le fil W peut évidemment être de n'importe quelle longueur,
la tige et le boîtier aimantés réagissant au nombre
de vibrations du ressort S, quelle que soit la longueur du circuit.
L'INTERRUPTEUR ÉLECTRIQUE DE HELMHOLTZ.
Dans certaines expériences de Helmholtz, il était essentiel
de maintenir les vibrations d'un diapason pendant une durée considérable.
Il y parvint en plaçant un court électro-aimant entre les
branches du diapason et en fixant une pointe de platine à l'extrémité
d'une branche de telle sorte que, lorsque la branche descendait en vibration,
la pointe de platine plongeait dans une petite coupelle de mercure, ce
qui fermait le circuit. Lorsque la branche s'éloignait, elle était
naturellement retirée du mercure et le courant était interrompu.
Comme il est impossible à un diapason de vibrer plus pendant une
période donnée, un tel dispositif établirait et couperait
le courant autant de fois par seconde que la fourche vibrait. Par conséquent,
lorsqu'un tel interrupteur est inséré dans le circuit, la
tige de cliquet étant fixée à sa caisse de résonance,
celle-ci doit produire un son identique à celui de la fourche.
Avec un tel dispositif, il est possible de reproduire, à presque
n'importe quelle distance dans un circuit télégraphique,
un son d'une hauteur donnée. Il s'agit donc d'un véritable
téléphone.
LE TÉLÉPHONE DE REISS.
La facilité avec laquelle les membranes sont mises en vibration
selon une période correspondant à celle du corps sonore
a déjà été évoquée; et plusieurs
tentatives ont été faites, à différentes époques,
pour intégrer les membranes à la téléphonie.
La première de ces tentatives fut celle de Philip Reiss de Friedrichsdorf,
en Allemagne, en 1861.
Son appareil consistait en une boîte creuse, avec deux ouvertures
: l'une à l'avant, dans laquelle était inséré
un tube court destiné à produire le son, et indiqué
par la flèche dans la coupe, Fig. 12 L'autre était placée
sur le dessus. Celle-ci était recouverte de la membrane m , un
morceau de vessie tendu par-dessus. Au milieu de la membrane, une fine
plaque de platine était collée ; cette plaque était
reliée par un fil à une coupelle à vis, d'où
partait un autre fil relié à une pile.
Un doigt de platine, S, reposait sur la lame de platine, mais était
fixé à une extrémité à la coupelle
à vis reliant l'autre fil de la pile. Lorsqu'un son est émis
dans le boîtier, la membrane vibre puissamment : la lame de platine
heurte alors le doigt de platine et se bloque créant et coupant
ainsi le courant le même nombre de fois par seconde. Si donc une
personne chante dans cette boîte alors qu'elle est en circuit avec
la tige de clic et la boîte mentionnées précédemment,
cette dernière changera évidemment de hauteur aussi souvent
que la voix la modifie. Cet appareil est un téléphone permettant
de reproduire distinctement une mélodie à distance. Mais
les sons ne sont pas forts et ont la qualité d'une trompette en
fer-blanc. Si l'on réfléchit aux possibilités d'un
tel mécanisme et aux conditions nécessaires à la
production d'un son d'une qualité donnée, comme celui de
la voix ou d'un instrument de musique décrit dans les pages précédentes,
on comprendra qu'il ne peut reproduire que la hauteur. On pourrait en
déduire que plus d'une hauteur est transmise si le son est semblable
à celui d'une trompette en fer-blanc, comme indiqué précédemment
: mais la raison en est que, chaque fois qu'un courant passe entre deux
surfaces qui ne peuvent que légèrement se déplacer
l'une sur l'autre, il y a toujours une irrégularité dans
la conduction, de sorte qu'il produit une sorte de grattement ; et c'est
cela, combiné avec l'autre, la vraie hauteur, qui donne le caractère
au son de cet instrument.
Le Dr Wright a découvert qu'un son d'une intensité considérable
pouvait être obtenu en faisant passer le courant interrompu dans
le fil primaire d'une petite bobine d'induction et en plaçant un
conducteur constitué de deux feuilles de papier argenté
placées dos à dos dans le circuit secondaire. Le papier
argenté se charge et se décharge rapidement, produisant
un son audible dans une grande salle et de même hauteur que l'instrument
émetteur.
LES TÉLÉPHONES DE GRAY.
En 1873, M. Elisha Gray de Chicago a découvert que si une bobine
d'induction était actionnée par le courant d'un disjoncteur
automatique, et que l'un des fils du circuit secondaire était tenu
dans la main tandis que le doigt sec de la même main était
frotté sur une plaque métallique sonore, l'autre fil étant
en connexion avec la plaque, un son musical serait donné en dehors
la plaque, semblant provenir du point de contact du doigt avec la plaque.
Il a donc conçu un instrument de musique avec une tessiture de
deux octaves, dans lequel les anches étaient faites pour les vibrations
sont générées par des électro-aimants, le
courant pénétrant dans l'un d'eux en appuyant sur la touche
correspondante. Ce circuit est transmis par le fil primaire d'une bobine
d'induction, tandis que l'une des bornes de la bobine secondaire est reliée
à la fine tôle formant la tête d'un tambour en bois
peu profond d'environ vingt centimètres de diamètre, fixé
de manière à pouvoir tourner comme une poulie. L'autre borne
est tenue dans la main, un doigt de la même main reposant sur la
surface métallique. En faisant tourner le tambour de l'autre main,
les sons émis sont d'une intensité considérable.
Plus on tourne vite, plus les sons sont forts, bien que la hauteur reste
constante.
Dans ce cas, comme dans le cas mentionné p. 105 , nous avons un
courant électrique passant entre deux surfaces qui se déplacent
l'une sur l'autre ; le contact n'étant pas uniforme, le courant
est variable et intermittent.
M. Gray a également inventé un téléphone musical
permettant de transmettre et de reproduire simultanément de nombreux
sons musicaux. Le mécanisme utilisé est assez complexe,
et nécessite une familiarité considérable avec la
science électrique pour le comprendre ; mais le principe fondamental
impliqué n'est pas difficile à celui qui a compris les descriptions
précédentes.
Supposons que nous disposions d'une série de quatre lames en acier,
chacune fixée à une extrémité à l'un
des pôles d'un court électro-aimant, tandis que l'autre extrémité
vibre librement sur l'autre pôle de l'aimant, sans le toucher. Chaque
lame doit être accordée sur une hauteur différente,
par exemple les 1, 3, 5 et 8 de la gamme. Ces électro-aimants,
avec leurs vibrateurs, doivent être fixés à une caisse
de résonance (voir p. 93 ), capable de répondre à
ce nombre précis de vibrations par seconde. Il s'agit de l'instrument
récepteur. L'émetteur est constitué d'un jeu d'anches
accordé à la même hauteur, que l'on peut faire vibrer
à volonté en appuyant sur une touche qui envoie le courant
électrique à travers son électro-aimant, ce qui crée
et coupe le courant. Imaginons que l'une de ces touches soit enfoncée
pour fermer le circuit : l'instrument émetteur a alors une de ses
lames, soit la 1 de la gamme, réglée en vibration ; le courant
intermittent traverse toute la ligne, passant par les quatre instruments
récepteurs. Or, l'étude de l'action des corps sonores nous
apprend qu'un seul des quatre récepteurs est capable de vibrer
en harmonie avec ce ton, et qu'il répondra ; autrement dit, les
vibrations sont véritablement sympathiques. Si, au lieu de produire
le 1 de la gamme dans l'instrument émetteur, le 3 avait été
produit, le courant aurait traversé tous les instruments récepteurs
de la même manière que précédemment, mais un
seul d'entre eux aurait pu reprendre ce mouvement vibratoire : trois d'entre
eux resteraient immobiles, le 3 répondant fortement. De même,
un nombre quelconque d'anches vibrantes dans l'instrument émetteur
peut faire vibrer un nombre correspondant d'anches dans l'instrument récepteur,
à condition que ces dernières soient parfaitement accordées
avec les premières. Chaque émetteur n'est relié qu'à
une partie de la batterie, de sorte que plusieurs tons peuvent être
transmis simultanément. Si l'interprète joue un morceau
de musique en plusieurs parties, chaque partie sera reproduite : nous
avons alors un téléphone composé ou multiple. Cet
instrument a été utilisé pendant l'hiver dernier
pour donner des concerts dans les villes lorsque l'interprète se
trouvait dans un endroit éloigné.
Il a également été utilisé comme télégraphe
multiple ; jusqu'à huit opérateurs envoyaient des messages
simultanément sur le même fil, quatre dans chaque direction,
sans la moindre interférence.
LE TÉLÉPHONE DE BELL.
Le professeur A. Graham Bell, de Boston, a découvert indépendamment
le même moyen de produire des effets multiples sur le même
fil ; mais il semble qu'il ne l'ait pas exploité aussi complètement
que M. Gray. Or, tandis que ce dernier s'employait principalement à
perfectionner la méthode en tant que système télégraphique,
le professeur Bell s'était posé le problème plus
complexe de la transmission de la parole. Il y est parvenu, comme on nous
l'a si souvent rappelé l'année dernière.
Connaissant parfaitement les recherches acoustiques de Helmholtz, et gardant
à l'esprit la forme complexe des vibrations de l'air produites
par la voix humaine, il a tenté de faire en sorte que ces vibrations
produisent des pulsations correspondantes dans un courant électrique
d'une manière analogue à l'interrupteur électrique.
Constatant que les membranes, correctement tendues, peuvent vibrer sous
l'effet de n'importe quel son, il chercha à les utiliser à
cette fin. Reiss fit de même ; mais Reiss inséra la membrane
vibrante dans le circuit, et il était évident qu'une telle
solution ne fonctionnerait pas ; le courant ne devait donc pas être
interrompu. Mais pouvait-on perturber un courant électrique sans
rompre les connexions ?
Les réactions bien connues des aimants sur les courants électriques,
observées pour la première fois par Örsted et pleinement
développées par Faraday, ont fourni la clé de la
solution. Il fallait faire vibrer un morceau de fer au moyen de vibrations
sonores, afin d'agir sur un électroaimant et d'induire les pulsations
électriques correspondantes.
PREMIÈRE FORME DE PARLEUR-TÉLÉPHONE.
Une membrane en peau de batteur d'or était tendue sur l'extrémité
d'un tube acoustique ou d'un entonnoir ; au milieu de cette membrane,
une pièce de fer (NS, fig. 13 ) était collée. Devant
cette pièce de fer, un électro-aimant M était placé
de telle sorte que ses pôles lui soient opposés, sans toutefois
le toucher. L'un des fils terminaux de l'électro-aimant est dirigé
vers la batterie B ; l'autre est dirigé vers l'instrument récepteur
R, constitué d'un électro-aimant tubulaire, la bobine étant
enfermée dans un court tube de fer doux ; le fil est ensuite dirigé
vers la plaque E´, enfoncée dans le sol. Au sommet de R,
en P, se trouve un disque de fer mince et peu rigide, qui sert d'armature
à l'électro-aimant situé en dessous.
En supposant que toutes les pièces soient ainsi correctement connectées,
le courant électrique de la batterie rend à la fois M et
R magnétiques ; l'électro-aimant M transformera par induction
la pièce de fer NS en aimant, dont les pôles seront différents
de ceux de l'électroaimant inducteur ; les deux s'attireront mutuellement.
Si l'on déplace cette pièce de fer NS vers M, un courant
électrique sera induit dans les bobines et traversera tout le circuit.
Cette électricité induite consistera en une seule onde,
ou impulsion, dont l'intensité dépendra de la vitesse d'approche
de NS vers M. Une impulsion électrique similaire sera induite dans
les bobines lorsque NS s'éloignera de M ; mais ce courant traversera
le circuit en sens inverse, de sorte que le sens de la pulsation, de M
vers R ou de R vers M, dépendra simplement du sens du mouvement
de N S.
L'électricité ainsi générée dans le
fil par ces mouvements vibratoires varie en intensité proportionnellement
au mouvement de l'armature ; par conséquent, le fil reliant deux
points sera soumis à des pulsations électriques identiques
aux pulsations aériennes de la structure. La figure 10 , p. 98
, peut être utilisée pour illustrer l'état du fil
traversé par les courants. La partie sombre peut représenter
la partie la plus intense de l'onde, tandis que la partie claire montrerait
la partie la plus faible de l'onde. La principale différence serait
que l'électricité se propage si vite que ce qui est représenté
comme une onde dans l'air d'une longueur de soixante centimètres
mesurerait, dans une onde électrique, plus de quatre-vingts kilomètres
de long.
Ces courants électriques induits ne sont que très transitoires
(voir p. 31 ) ; et leur effet sur le récepteur R est soit d'augmenter
soit de diminuer la puissance de l'aimant à cet endroit, selon
qu'ils sont dans un sens ou dans l'autre, et par conséquent de
faire varier la puissance attractive exercée sur l'armature en
plaque de fer.
Soit maintenant un son simple produit dans le tube, composé de
256 vibrations par seconde : la membrane portant le fer vibrera autant
de fois, et le courant constant sera soumis à autant d'impulsions
d'électricité induite, lesquelles agiront chacune sur le
récepteur et provoqueront autant de vibrations de l'armature sur
lui ; une oreille placée en P entendra le son avec la même
hauteur que celle de l'instrument émetteur. Si deux ou plusieurs
ondes sonores agissent simultanément sur la membrane, ses mouvements
doivent correspondre à ces mouvements combinés ; autrement
dit, la résultante de toutes les ondes sonores doit être
la pulsation correspondante du courant, et les pulsations correspondantes
du courant doivent reproduire le même effet à R. Or, lorsqu'une
personne parle dans le tube, la membrane est soumise à des vibrations
plus complexes que celles mentionnées précédemment,
ne différant que par leur nombre et leur intensité. L'aimant
provoque des réponses même au plus infime mouvement ; ainsi,
une oreille à R entendra ce qui est dit dans le tube. C'est l'instrument
exposé à l'Exposition universelle de Philadelphie, et à
propos duquel Sir William Thompson déclara à son retour
en Angleterre : " C'est de loin la plus grande de toutes les merveilles
du télégraphe électrique. "
L'idée répandue concernant le téléphone était
que le son était transmis d'une manière ou d'une autre par
le fil. Il apparaîtra clairement à quiconque lit ceci que
c'est loin d'être le cas. En réalité, il s'agit d'un
bel exemple de la convertibilité des forces d'une forme à
une autre. Il y a d'abord le mouvement mécanique vibratoire initial
de l'air, qui est transmis à la membrane portant le fer. Ce mouvement
est converti en électricité dans la bobine de fil entourant
l'électro-aimant, et à l'extrémité réceptrice
est d'abord efficace comme magnétisme, qui est à nouveau
converti en mouvement vibratoire de l'armature en fer, lequel mouvement
est communiqué à l'air, et redevient ainsi une onde sonore
dans l'air comme l'original.
À la connaissance de l'auteur, il s'agissait du premier téléphone
parlant jamais construit, mais ce n'était pas un instrument pratique.
De nombreux sons n'étaient pas reproduits et, selon le rapport
du jury de l'Exposition universelle de Philadelphie, il fallait crier
à enrouement pour être entendu.
LE TÉLÉPHONE DE L'AUTEUR.
Depuis plusieurs années, mes tâches récurrentes m'ont
amené à m'occuper des différents sujets traités
dans ce livre, et chacun d'eux a été largement illustré
de manière expérimentale, et un nombre considérable
de nouveaux appareils et de nouvelles expériences pour exposer
leurs phénomènes ont été conçus par
moi.
Parmi ceux-ci, je citerais les suivants :
1. Mesure de l'allongement d'une barre aimantée.
2. Un télégraphe magnéto-électrique.
3. Un instrument électromagnétique permettant de démontrer
la rotation de la Terre.
4. Le magnétisme permanent du fantôme magnétique.
5. La convertibilité du son en électricité.
6. L'induction d'un aimant vibrant sur un circuit électrique.
7. L'apparition d'ondes électriques dans un circuit par un aimant
sonore.
8. La découverte de l'action de l'air dans un tuyau d'orgue sonore.
9. Deux ou trois méthodes pour étudier les vibrations des
membranes.
10. Fourches de Lissajous pour projections agrandies de vibrations sonores.
Dès que je me suis intéressé au sujet de la téléphonie,
j'ai pu, grâce à quelques expériences préliminaires,
déterminer les conditions appropriées pour la transmission
de la parole dans un circuit électrique ; et, sans la moindre connaissance
du mécanisme utilisé par le professeur Bell, j'ai conçu
l'agencement suivant pour un téléphone parlant.
Mon premier téléphone parlant (fig. 14 ) était constitué
d'un aimant en acier rond d'un demi-pouce plié en U, les pôles
étant espacés d'environ deux pouces. Deux bobines provenant
d'un ancien enregistreur télégraphique étaient glissées
dessus. et étaient déjà fixées sur un noyau
d'un demi-pouce. Ces bobines, longues de deux pouces et demi, étaient
enroulées avec du fil de cuivre recouvert de coton, n° 23,
chaque bobine contenant environ 45 mètres. Cet aimant, les bobines
glissées sur ses pôles, était fixé à
un poteau de deux à trois pouces de haut. L'acier était
aussi fortement magnétique que possible et pouvait supporter trois
à quatre fois sa propre charge. Devant les pôles, une fine
feuille d'acier, épaisse d'un cinquantième de pouce, était
fixée à une planche verticale percée d'un trou de
trois pouces et demi de diamètre (fig. 14 , vue de face) ; la plaque
était vissée fermement à cette planche afin de boucher
le trou, et le milieu du trou se trouvait à la même hauteur
que les deux pôles de l'aimant. Les fils des deux bobines étaient
connectés, comme pour former un électro-aimant, tandis que
les deux bornes libres devaient être reliées aux fils de
ligne. Il y avait bien sûr deux de ces instruments, tous deux identiques
; et la parole et le chant étaient reproduits grâce à
eux.
De très nombreuses expériences ont été réalisées
pour déterminer les conditions optimales pour chacun des éléments
essentiels : la taille et la force de l'aimant, la taille des bobines,
la longueur et la finesse du fil, l'épaisseur optimale de la plaque
absorbant les vibrations, etc. Il est vraiment surprenant de constater
la faible différence entre des limites très larges. Les
instructions suivantes permettront à chacun de construire un téléphone
parlant permettant d'obtenir de bons résultats. Les spécifications
ne concernent qu'un seul instrument ;bien que, bien sûr, deux instruments
fabriqués de la même manière soient nécessaires
pour parler ou émettre d'autres signaux.
Procurez-vous trois aimants fer à cheval courants d'environ quinze
centimètres de long, tous de la même taille ; ils se vendent
au détail à environ un dollar pièce. Ils devraient
être suffisamment solides pour supporter plusieurs fois leur propre
poids chacun. Ensuite, fabriquez deux bobines de bois dur de bonne qualité,
comme l'érable ou le buis, d'un demi-pouce de long et d'un pouce
et demi de large, dont les côtés sont découpés.
Les bobines doivent être carrées intérieurement et
extérieurement, comme indiqué en S, fig. 15 ; un trou d'un
tiers de pouce de diamètre doit être percé dans la
bobine. Dans ce trou, une courte tige de fer doux d'environ un pouce de
long, légèrement arrondie à son extrémité
extérieure, doit être insérée. Les bobines
peuvent être enroulées avec autant de fil de cuivre isolé
qu'elles peuvent en contenir. Le diamètre du fil peut varier de
0,4 à 0,5 pouce, selon la convenance, cette dernière taille
étant préférable. La résistance de ces bobines
sera probablement de deux à trois ohms chacune. Le noyau de fer
doux (I) doit être suffisamment saillant vers l'arrière pour
être serré entre les deux aimants extérieurs (1 et
3), tandis que l'aimant intérieur (2) est tiré vers l'arrière.
Une fois les bobines en place et serrées entre les aimants supérieur
et inférieur, elles se présenteront comme illustré
à la fig. 16 , vue de dessus. Les aimants étant fixés
au bloc sur lequel ils reposent (voir Fig. 17 ), ce bloc maintient simultanément
les tiges de fer doux et les bobines. Les fils de ces bobines doivent
être connectés de la même manière pour former
des pôles opposés à leurs extrémités.
Une planche verticale B (Fig. 17 ), de six ou sept pouces carrés,
percée d'un trou rond de quatre pouces de diamètre en son
milieu, doit être fixée près de l'extrémité
de la planche de base ; sur ce trou, une fine feuille de fer ou d'acier
doit être vissée fermement ; son épaisseur peut varier
de 0,25 à 0,55 pouce. L'épaisseur de cette plaque ne semble
pas avoir beaucoup d'importance. J'ai généralement obtenu
les meilleurs résultats avec une plaque d'un 0,55 pouce d'épaisseur.
La planche verticale supportant cette plaque doit être très
rigide, sinon la plaque sera maintenue fermement aux aimants tout le temps;
et l'une des conditions de succès du travail est que cette plaque
soit aussi proche que possible des extrémités des aimants,
mais sans les toucher : fixez donc la planche fermement et ajustez les
aimants au moyen du bouton représenté au-dessus d'eux dans
la figure en perspective.
Les sons à transmettre, quels qu'ils soient, doivent être
émis du côté P (fig. 16) ; de même, lorsque
l'instrument est utilisé comme récepteur, l'oreille doit
être appliquée au même endroit. Un tube d'environ cinq
centimètres de diamètre peut être fixé à
l'avant de la planche, au centre de la plaque ; cela facilitera l'audition.
Lorsque deux ou trois personnes doivent chanter, il est préférable
de fournir à chacune un tube pour chanter, dont une extrémité
sera placée près de l'avant de la plaque. Le son des instruments
de musique, tels que la flûte et le cornet, sera reproduit beaucoup
plus fort si l'avant de l'instrument repose sur le bord du trou de la
planche, juste devant la plaque.
On remarque que les conversations à voix basse sont plus distinctes
qu'avec un effort important ; cependant, les sons, bien que distincts,
restent faibles, et d'autres sons perturbent sérieusement l'audition.
Il est probable qu'une solution sera bientôt trouvée pour
accroître l'utilité de cette invention en augmentant le volume
sonore. Compte tenu de la faiblesse du son, il devient nécessaire
d'utiliser un appel pour attirer l'attention d'une personne présente
dans la pièce. Cela peut être réalisé avec
une petite sonnette électrique alimentée par une ou deux
piles. Une autre méthode, que j'ai trouvée tout aussi efficace,
consiste à utiliser une tige de fer ou d'acier d'environ 30 cm
de long et d'un demi-pouce de diamètre, elle est courbée
en U. Lorsqu'on la tient par la courbure et qu'on le frappe au sol ou
avec un bâton, elle vibre puissamment ; et si l'une de ses branches
heurte la plaque P (fig. 16) , le son est reproduit suffisamment fort
pour être entendu dans une grande pièce. Je n'ai jamais manqué
d'appeler avec ce téléphone lorsque quelqu'un se trouvait
dans la même pièce que moi.
Partout où un circuit téléphonique est installé
sur des poteaux télégraphiques traversés par d'autres
fils, on constate que l'action inductive des courants sur ces derniers
perturbe gravement le fonctionnement des téléphones, ces
derniers reproduisant un message sur deux. Une personne experte en lecture
sonore peut, grâce au téléphone, lire le message transmis
par un fil voisin. Les messages peuvent ainsi être lus sur des fils
distants de trois mètres du circuit téléphonique.
Il semble donc essentiel que chaque circuit téléphonique
soit isolé des autres, faute de quoi la confidentialité
des messages est compromise.
Un effet très intéressant a été observé
une nuit lors d'une brillante aurore boréale, un courant continu
traversait les fils, accompagné de sons dont l'intensité
augmentait au passage des brillantes aurores boréales. Cela mènera
probablement à des résultats scientifiques importants.
Le téléphone en est probablement à ses balbutiements,
tout comme la télégraphie ordinaire en 1840. Depuis lors,
les sciences de l'électricité et du magnétisme ont
connu leur plus grand développement, et la télégraphie
a suivi le rythme des progrès des connaissances jusqu'à
ce que son importance commerciale soit inégalée. De nombreux
principes importants, précieux en télégraphie aujourd'hui,
étaient totalement inconnus en 1840 ; mais il convient de noter
ici que, dans le téléphone actuel, tous les principes étaient
déjà bien connus à cette époque. Cela apparaîtra
clairement à quiconque suit les phénomènes de l'émetteur
au récepteur. Premièrement, le son dans l'air provoque un
mouvement correspondant dans un corps solide, le fer. Ce fer, agissant
par induction sur un aimant, génère des courants magnéto-électriques
dans une hélice de fil qui l'entoure ; ces courants se propagent
ensuite vers un autre hélice, et, réagissant sur l'aimant
qu'elle contient, ont des effets électromagnétiques, augmentant
et diminuant la force de l'aimant ; et ce magnétisme variable affecte
la plaque de fer devant cet aimant, la faisant vibrer de manière
correspondante, restituant ainsi à l'air en un endroit les vibrations
absorbées de l'air en un autre endroit. Certains peuvent trouver
étrange qu'un objet aussi simple que le téléphone,
n'impliquant que des principes suffisamment familiers à toute personne
intéressée par les sciences physiques, ait attendu près
de quarante ans pour être inventé. La raison en est probablement
la suivante : les hommes de science, en règle générale,
ne se sentent pas obligés d'appliquer les principes qu'ils découvrent.
Ils se contentent de découvrir , non d'inventer . Or, les écoles
du pays devraient familiariser la jeunesse avec les principes généraux
des sciences physiques, afin que les inventeurs - et ils sont nombreux
- puissent les appliquer intelligemment. Le mécanisme est tout
ce qui nous sépare de la navigation aérienne ; tout ce qui
est nécessaire pour reproduire la parole humaine par écrit
; et tout ce qui est nécessaire pour réaliser complètement
la prophétique image du " Graphique ", de l'orateur qui
s'adressera au même instant à un public dans chaque ville
du monde.