Mihajlo Idvorsky
Pupin
Mihajlo (Michael) Idvorski Pupin (1858-1935) est un
physicien serbe.
Mihajlo Pupin a parcouru un long chemin depuis
ses humbles débuts dans le village d'Idvor, dans ce qui est aujourd'hui
la Serbie, jusqu'à ses vacances d'été dans son
somptueux domaine à l'ouest de Norfolk, dans le Connecticut -
après être devenu un inventeur de renommée mondiale
et lauréat du prix Pulitzer de lettres en 1924.
Né le 9 octobre 1858 dans une famille de paysans illettrés,
Pupin passa ses étés d'enfance dans les pâturages
vallonnés des environs d'Idvor, où il était berger,
protégeant le bétail des voleurs roumains nocturnes. Durant
ses longues nuits passées à surveiller les troupeaux,
il observa qu'enfoncer son long couteau à manche de bois dans
le sol et l'enfoncer créait des vibrations souterraines qui lui
permettaient de localiser de loin le bétail errant. Pupin comprit
que les vibrations sonores portaient plus loin sur un sol dur ; c'est
ainsi qu'il eut sa première idée fascinante de l'invention
qui, vingt-cinq ans plus tard, allait faire sa renommée et sa
fortune aux États-Unis.
Bien qu'illettrée, sa mère, Olimpijada, l'envoya dans
une école supérieure d'un village voisin. C'est là
qu'il découvrit les expériences de Benjamin Franklin avec
les cerfs-volants et l'électricité, ce qui éveilla
son imagination fertile. Pour échapper aux troubles politiques
locaux, son église l'envoya plus tard dans une école à
Prague, après deux jours de voyage sur le Danube et un jour en
train depuis Budapest.
Alors qu'il était à Prague, le père de Pupin, Constantin,
mourut subitement. Pupin voulut rentrer chez lui et s'occuper de sa
mère, mais elle refusa d'en entendre parler. Une annonce dans
un journal pour une place d'entrepont sur le navire Westphalia, reliant
Hambourg à New York, poussa Pupin à vendre tous ses biens
sur un coup de tête et à acheter un aller simple pour l'Amérique.
Après une traversée de l'Atlantique de deux semaines,
mouvementée et mouvementée, il débarqua à
Castle Garden, à New York, en 1874. C'était un jeune novice
de quinze ans, avec cinq cents en poche et sans aucune connaissance.
À New York, des emplois subalternes étaient accessibles
aux immigrants, mais, sur un coup de tête, Pupin s'engagea comme
ouvrier agricole dans une ferme du Delaware, où il apprit l'anglais
auprès de la fille du fermier. De retour à New York à
l'automne, Pupin pelleta du charbon avant de décrocher un emploi
à la New England Cracker Company, rue Courtland à Manhattan,
où il apposa le nom de l'entreprise sur une multitude de crackers
nature. Le soir, il profitait des cours gratuits de la Cooper Union
et passait des heures à la bibliothèque à lire
les classiques. Il devint alors obsédé par le tableau
« Les Hommes du Progrès » de Christian Schussele,
accroché au mur, représentant dix-neuf inventeurs américains,
tels que Samuel F.B. Morse, Charles Goodyear et Samuel Colt, qui, grâce
à leurs inventions, ont considérablement fait progresser
la civilisation moderne.
À Columbia, Pupin s'est imposé comme un élève
exceptionnel et, dès sa première année, a obtenu
des bourses de 100 dollars en grec et en mathématiques. Fort
de sa force physique, grâce au pelletage de charbon et à
la coupe du foin, il a remporté le championnat de lutte poids
lourd de Columbia et a excellé en équipe. En troisième
année, il a été élu président de
sa promotion.
À l'époque, Columbia était un nid de snobs qui
adoraient faire la fête et faire du sport. Pupin gagnait un peu
d'argent en donnant des cours particuliers à ces retardataires,
aidant ainsi le fils du célèbre astronome Lewis Morris
Rutherfurd à terminer ses études universitaires. Rutherford
était si reconnaissant qu'il finança la candidature de
Pupin à l'université de Cambridge à Londres pour
y étudier les mathématiques.
Depuis l'époque où il était berger à Idvor,
Pupin était fasciné par la lumière et le son, qu'il
considérait comme des « méthodes divines de parole
» divines. À l'université, il étudia et imita
de brillants scientifiques du XIXe siècle, tels que Michael Faraday
et James Clerk Maxwell, qui firent des avancées majeures dans
la compréhension et l'exploitation des mystérieuses forces
électromagnétiques de l'univers.
Pupin devint citoyen américain en 1883, deux jours avant d'obtenir son diplôme avec mention de Columbia, qui lui offrait une bourse d'études supérieures en sciences et lettres de trois ans, à 500 dollars par an. Il déclina l'offre et préféra Cambridge, où l'école de mathématiques était considérée comme la meilleure au monde.
Pupin fit ses preuves au King's College de Cambridge,
mais trouva les méthodes d'enseignement mathématiques
standardisées du tripos peu stimulantes. Après avoir écourté
son séjour à Cambridge, il s'inscrivit à l'Université
de Berlin pour étudier auprès du physicien et inventeur
divin Hermann von Helmholtz, l'un des esprits les plus brillants du
XIXe siècle, qui révolutionna l'ophtalmologie et découvrit
le principe de conservation de l'énergie. Pupin charma Helmholtz
par ses récits de son enfance de paysan en Serbie et par son
esprit curieux et agile.
En 1886, Pupin obtint son doctorat en philosophie de von Helmholtz,
avec une thèse intitulée « Pression osmotique et
énergie libre »
Au début de ses études, il épousa Sarah Katherine Jackson, la sœur d'un camarade de classe, à la cathédrale grecque orthodoxe de Londres.
De retour à New York, Pupin se consacra à
son travail de professeur tout en travaillant de longues heures la nuit
dans un laboratoire rudimentaire de Columbia, expérimentant sur
les rayons X, phénomène scientifique du milieu des années
1890. En décembre 1895, Wilhelm Roentgen développa les
premiers rayons X en Allemagne. Seulement deux semaines plus tard, un
avocat new-yorkais qui s'était accidentellement tiré une
balle dans la main fut amené dans le laboratoire de Pupin. Grâce
à des papiers phosphorescents offerts par son ami Thomas Edison,
Pupin a réalisé une radiographie de la main de l'homme
en quelques secondes seulement, accélérant le processus
de Roentgen de plusieurs heures. Pupin était devenu un nom dans
le monde scientifique.
Paralysé par le désespoir, Pupin souffrit d'une grave dépression nerveuse. Un ami médecin lui recommanda Norfolk, dans le Connecticut, où l'atmosphère rustique et le climat vivifiant pourraient apaiser sa profonde dépression. Pupin loua une maison face au mont Haystack et passa des semaines à contempler la vue apaisante depuis sa place. Mais sa dépression ne parvint pas à se dissiper.
Originaire de Norfolk, le Dr Frederic Dennis, un collègue de Columbia, tenta de remonter le moral de Pupin par des discours d'encouragement, en vain. Un jour, sur un coup de tête, le Dr Dennis se présenta à sa porte dans un rond-point jaune tiré par deux chevaux Cobb de son haras de Dennis Hill. Il lui confia les chevaux et lui dit qu'ils avaient besoin d'être dressés.
Ce fut le remède idéal. Pupin s'attacha immédiatement aux chevaux et se consacra à leur entraînement, une distraction bienvenue à son chagrin accablant. Peu après, les chevaux, Comet et Princess Rose, conduits par Pupin, remportèrent le premier prix au concours hippique du Madison Square Garden. Dix-huit mois après la mort de sa femme, se sentant suffisamment remis de son découragement, et pour le bien de sa fille unique, Varvara (Barbara), Pupin retourna à ses cours et à son laboratoire à Columbia.
La bobine de Pupin
Incapable de travailler avec les rayons X, qui, selon
lui, avaient contribué à l'apparition de sa pneumonie,
Pupin retourna à ses expériences électriques et
à son travail acharné en laboratoire.
En 1899, devançant de justesse plusieurs scientifiques travaillant
sur le même défi, Pupin déposa un brevet pour une
bobine d'induction qui, placée à intervalles précis
sous terre (faisant écho à ses observations au couteau
d'enfance), augmenta exponentiellement la portée des appels téléphoniques
longue distance. AT&T racheta le brevet de Pupin pour près
d'un demi-million de dollars, faisant de lui un homme riche, et permettant
ainsi à l'entreprise d'économiser 100 millions de dollars
sur 25 ans.
Une bobine de charge, self d'adaptation ou bobine (d'induction)
de Pupin est une bobine qui est insérée dans un circuit
électronique pour augmenter son inductance. Le terme est apparu
au XIXe siècle pour désigner les bobines utilisées
pour éviter la distorsion du signal dans les câbles de
transmission télégraphique à longue distance. Le
terme est également utilisé pour les bobines dans les
antennes radio, ou entre l'antenne et sa ligne d'alimentation, pour
rendre résonante une antenne trop courte électriquement
à sa fréquence de fonctionnement.
Le concept de bobines de charge a été découvert
par Oliver Heaviside en étudiant le problème de la lenteur
de la vitesse de signalisation du premier câble télégraphique
transatlantique dans les années 1860. Il en a conclu qu'une inductance
supplémentaire était nécessaire pour éviter
la distorsion de l'amplitude et du délai du signal transmis.
La condition mathématique pour une transmission sans distorsion
est connue sous le nom de condition de Heaviside (en). Les lignes télégraphiques
précédentes étaient terrestres ou plus courtes
et induisaient donc moins de retard, et le besoin d'une inductance supplémentaire
n'était pas aussi important. Les câbles de communication
sous-marins sont particulièrement sujets à ce problème,
mais les installations du début du XXe siècle utilisant
des lignes symétriques étaient souvent chargées
en continu avec du fil ou du ruban de fer plutôt que discrètement
avec des bobines de chargement, ce qui permettait d'éviter les
problèmes d'étanchéité.
Historiquement, les bobines de charge sont également connues sous le nom de bobines Pupin en référence à Michael Idvorsky Pupin, en particulier lorsqu'elles sont utilisées pour la condition de Heaviside, et le processus d'insertion de ces bobines est parfois appelé pupinisation
Les lignes téléphoniques
Une application courante des bobines de charge consiste à améliorer
les caractéristiques de réponse d'amplitude sur le spectre
sonore de la voix des paires torsadées symétriques dans
un câble téléphonique. La paire torsadée
étant un format symétrique, la moitié de la bobine
de charge doit être insérée dans chaque branche
de la paire pour maintenir l'équilibre. Il est courant que ces
deux enroulements soient formés sur le même noyau. Cela
augmente les liens de flux, sans lesquels le nombre de tours de la bobine
devrait être augmenté. Malgré l'utilisation de noyaux
communs, ces bobines de charge ne constituent pas des transformateurs,
car elles n'assurent pas de couplage avec d'autres circuits.
Les bobines de charge insérées périodiquement en
série avec une paire de fils réduisent l'atténuation
aux fréquences vocales les plus élevées jusqu'à
la fréquence de coupure du filtre passe-bas formé par
l'inductance des bobines (plus l'inductance répartie des fils)
et la capacité répartie entre les fils. Au-dessus de la
fréquence de coupure, l'atténuation augmente rapidement.
Plus la distance entre les bobines est courte, plus la fréquence
de coupure est élevée. L'effet de coupure est un artefact
de l'utilisation de bobines à éléments groupés.
Avec les méthodes de charge utilisant une inductance continue
distribuée, il n'y a pas de coupure.
Sans bobine de charge, la réponse de la ligne est dominée
par la résistance et la capacité de la ligne, l'atténuation
augmentant doucement avec la fréquence. Avec des bobines de charge
ayant exactement la bonne inductance, ni la capacité ni l'inductance
ne dominent : la réponse est plate, les formes d'onde ne sont
pas déformées et l'impédance caractéristique
de la ligne est résistive jusqu'à la fréquence
de coupure. La formation coïncidente d'un filtre passe-bas laissant
passer les fréquences audio (en) est également bénéfique
dans la mesure où le bruit est réduit.
Pupin améliora ainsi la transmission des communications
téléphoniques sur les longues distances en plaçant
des bobines le long des câbles de communication. Il était
alors possible de faire des communications longue distance sans passer
par des éléments actifs.
(A lire pour plus de détails sur la
pupinisation)
Il reçoit en 1924 le prix Pulitzer pour son autobiographie
: From Immigrant to Inventor.
Pupin a délivré 115 brevet consultables
à cette page.
Il est décédé le 12 mars 1935 à New York.
Contreverse
Heaviside n'a jamais breveté son idée ; en fait, il n'a
tiré aucun avantage commercial de ses travaux. Malgré
les différends juridiques entourant cette invention, il est incontestable
que Campbell a été le premier à construire un circuit
téléphonique à l'aide de bobines de charge. Il
ne fait également aucun doute que Heaviside a été
le premier à publier et que beaucoup contesteraient la priorité
de Pupin.
AT&T a mené une bataille juridique avec Pupin à ce
sujet. Pupin a été le premier à déposer
un brevet, mais Campbell avait déjà effectué des
démonstrations pratiques avant même que Pupin ne dépose
son brevet (décembre 1899). Le retard de Campbell dans le dépôt
de sa demande était dû à la lenteur des machinations
internes d'AT&T.
Cependant, AT&T a bêtement supprimé
de la demande de brevet proposée par Campbell tous les tableaux
et graphiques détaillant la valeur exacte de l'inductance qui
serait nécessaire avant le dépôt du brevet.
Comme le brevet de Pupin contenait une formule (moins précise),
AT&T s'exposait à des réclamations pour divulgation
incomplète. Craignant que la bataille ne se termine par une déclaration
de non-brevetabilité de l'invention en raison de la publication
antérieure de Heaviside, elle décida de renoncer à
la contestation et d'acheter une option sur le brevet de Pupin moyennant
une redevance annuelle, de sorte qu'AT&T contrôlerait les
deux brevets. En janvier 1901, Pupin avait reçu 200 000 dollars
(équivalent à 13 millions de dollars en 2011) et en 1917,
lorsque le monopole d'AT&T a pris fin et que les paiements ont cessé,
il avait reçu un total de 455 000 dollars (25 millions de dollars
de 2011).
Avantages pour AT&T
L'invention a eu une valeur énorme pour AT&T. Les câbles
téléphoniques pouvaient désormais être utilisés
sur une distance deux fois plus grande qu'auparavant, ou bien un câble
d'une qualité (et d'un coût) deux fois moindre pouvait
être utilisé sur la même distance. Lorsqu'ils ont
décidé d'autoriser Campbell à poursuivre la démonstration,
les ingénieurs ont estimé qu'ils pourraient économiser
700 000 dollars en coûts d'installation dans les seuls États
de New York et du New Jersey. On estime qu'AT&T a économisé
100 millions de dollars au cours du premier quart du 20e siècle.
Heaviside, qui a commencé tout cela, n'a rien gagné. On
lui a offert un paiement symbolique, mais il n'a pas accepté,
voulant être crédité de son travail. Il fit remarquer
ironiquement que si sa publication antérieure avait été
admise, cela aurait "interféré ... avec le flux de
dollars dans la bonne direction ...
Anecdote :
Pupin avait basé son brevet de bobine d'induction sur l'oscillateur
à courant alternatif de Tesla. Tesla était plutôt
solitaire, un génie raffiné qui se consacrait entièrement
à son travail, tandis que Pupin, compétitif et habile
promoteur, aimait être sous les projecteurs, comme en témoigne
son autobiographie à succès de 1923, De l'immigrant à
l'inventeur, récompensée par le prix Pulitzer.
Lors d'un procès âprement disputé en 1915 pour savoir
qui avait inventé la télégraphie sans fil, Pupin
témoigna que, selon lui, c'était Guglielmo Marconi qui
avait inventé la technologie sans fil. Tesla se sentit blessé
et trahi et refusa de parler à Pupin pendant des années.
Pupin finit par regretter son témoignage et, sur son lit de mort
en 1935, supplia Tesla de venir accepter ses excuses. À contrecœur,
Tesla céda et alla voir Pupin qui, en le voyant, s'effondra et
fondit en larmes. Pupin mourut quelques jours plus tard.
Les Câbles sous-marins
La distorsion est un problème particulier pour
les câbles de communication sous-marins, en partie parce que leur
grande longueur permet à la distorsion de s'accumuler, mais aussi
parce qu'ils sont plus sensibles à la distorsion que les fils
ouverts sur les poteaux en raison des caractéristiques du matériau
isolant. Les différentes longueurs d'onde du signal se déplacent
à des vitesses différentes dans le matériau, ce
qui entraîne une dispersion. C'est ce problème sur le premier
câble télégraphique transatlantique qui a motivé
Heaviside à étudier le problème et à trouver
la solution. Les bobines de charge résolvent le problème
de dispersion, et la première utilisation de celles-ci sur un
câble sous-marin a été faite en 1906 par Siemens
& Halske dans un câble traversant le lac de Constance.
L'utilisation de bobines de charge avec des câbles
sous-marins lourds pose un certain nombre de problèmes. Le renflement
des bobines de chargement ne pouvait pas facilement passer à
travers l'appareil de pose des câbliers et le navire devait ralentir
pendant la pose d'une bobine de chargement. Les discontinuités
à l'endroit où les bobines étaient installées
provoquaient des tensions dans le câble pendant la pose. Si l'on
n'y prend pas garde, le câble risque de se rompre et d'être
difficile à réparer. Un autre problème était
que la science des matériaux de l'époque avait des difficultés
à sceller la jonction entre la bobine et le câble contre
la pénétration de l'eau de mer. Le chargement continu
a été développé pour surmonter ces problèmes,
ce qui présente également l'avantage de ne pas avoir de
fréquence de coupure.