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Les Trois Physiciens

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Bernard Cagnac

Henri Abraham

Texte intégral

Ses études

1Henri Abraham est né à Paris le 12 juillet 1868. Cinquième d’une famille de six enfants, il fait ses études secondaires au collège Chaptal à Paris et entre à l’École normale supérieure en 1886 à l’âge de 18 ans (cacique).

2Il sort de l’École en 1889, reçu 2e à l’agrégation, derrière Bernard Brunhes (qui sera professeur à l’université de Clermont-Ferrand et mourra très jeune), et devant Charles Fabry, polytechnicien reconverti à l’enseignement (qui sera professeur aux universités de Marseille puis de Paris et premier directeur général de l’Institut d’optique, créé juste après la Première Guerre mondiale). Les deux hommes se lieront d’amitié et se retrouveront tout au long de leur carrière.

3En 1890, après un an de service militaire, Abraham revient à l’ENS en tant que « caïman » ou agrégé préparateur. L’année suivante, il prend, en parallèle, un poste d’enseignement au collège Chaptal. Ces charges sont assez légères pour lui permettre la préparation de sa thèse.

Sa thèse

4Les premières expériences de Hertz sur l’émission des ondes électromagnétiques eurent lieu en 1888, pendant les années d’École d’Abraham, apportant la confirmation expérimentale des prédictions issues des équations de Maxwell (en 1865). Fasciné par ce succès de la théorie électromagnétique, Abraham décide de vérifier dans sa thèse une autre prédiction de cette théorie : « la vitesse de propagation des ondes c doit être égale au rapport des unités de charge (ou de courant) électrique, définies dans les deux systèmes d’unités alors en usage, le système CGS électrostatique et le système CGS électromagnétique » :

5Une vingtaine d’autres expériences avaient déjà été réalisées à ce sujet, avec des précisions diverses, depuis celles de Maxwell lui-même en 1868. Mais deux ans plus tard, en 1892, Abraham soutient sa thèse, en fournissant une nouvelle valeur du rapport des unités c, dont l’erreur relative, par comparaison à la valeur actuelle, est inférieure à 2/1 000. La valeur qu’il donne est un peu moins précise que celle donnée par J. J. Thomson en 1890, mais plus précise que celle mesurée par Pellat en 1891. (La précision de ces mesures était, de toute façon, meilleure que celle obtenue alors dans les mesures de vitesse de propagation.) L’accord global entre ces mesures scellait la clé de voûte de la théorie électromagnétique, et plaçait Abraham, à l’âge de 24 ans, sur le même plan que les meilleurs physiciens de l’époque.

6Toute la carrière scientifique d’Abraham sera, par la suite, consacrée à des vérifications ou des applications de la théorie électromagnétique (que nous expliciterons plus loin, p. **). Compte tenu des aspects un peu techniques de l’expérience de thèse d’Abraham, nous en donnons les détails dans l’encadré 1, p. 12.

Un professeur respecté

7Après quatre années passées à l’ENS en tant que « caïman », en 1894, Abraham est nommé professeur au lycée Louis-le-Grand dans les classes supérieures, où, pendant six ans, il perfectionne ses méthodes d’enseignement. En 1900, il obtient un poste de maître de conférences à l’ENS, qui l’attache définitivement à l’École. L’année suivante, il épouse Madeleine Boris. De ce mariage naîtront trois filles et une nombreuse descendance ; deux de leurs arrière petits-fils ont été étudiants à l’ENS, en mathématique et en physique, au début des années 1970.

8En 1912, Abraham est nommé professeur à l’université de Paris, sur une chaire destinée à l’ENS. Il prend alors la direction du Laboratoire de physique, qu’il conserve jusqu’à sa retraite en 1937. Ce type de carrière enseignante, avec passage du lycée à l’université, n’est plus possible aujourd’hui, compte tenu à la fois de la trop grande rapidité de la recherche mondiale et des moyens financiers nécessaires.

9Sa carrière enseignante est interrompue par la Première Guerre mondiale : il est affecté pendant quatre ans au service de télégraphie militaire. Mais, au total, pendant plus de trente ans, Henri Abraham a fait profiter les étudiants de l’ENS des méthodes d’enseignement qu’il avait perfectionnées au lycée Louis-le-Grand. Nous avons conservé les témoignages écrits de certains normaliens plus jeunes qui l’ont connu lorsqu’ils étaient élèves, et que notre génération a connus comme professeurs, tels Léon Brillouin, Louis Néel, Alfred Kastler, Yves Rocard et André Guinier. Tous reconnaissent en Abraham un enseignant de qualité exceptionnelle. On citera l’un de ces témoignages, provenant d’un professeur dont le tempérament n’était pas particulièrement enclin à l’indulgence, Yves Rocard, qui écrit : « J’ai été moi-même élève à cette époque ; je puis témoigner que c’est le seul professeur que je n’ai jamais entendu discuter. Pour qui connaît l’esprit normalien, cela peut faire comprendre de quel respect unanime il a toujours été entouré ici. » On retrouve des propos analogues à l’École supérieure d’électricité, sur la qualité du cours dont il avait été chargé après la Première Guerre mondiale.

Un scientifique ouvert aux relations sociales

10Pendant les douze années où il occupe un poste de maître de conférences, entre 1900 et 1912, Abraham est secrétaire général de la Société française de physique. Un des signes de son activité est le doublement du nombre de sociétaires durant ces années-là.

11En fait, cette fonction de secrétaire général n’est pas pour lui une simple tâche administrative ; elle lui permet de nouer des relations avec de très nombreux physiciens, français ou étrangers.

12Deux ouvrages confirment l’utilité et l’efficacité de cette activité relationnelle :

  • en 1904, paraît la première édition d’un Recueil d’expériences élémentaires de physique (publié en collaboration avec de nombreux auteurs) ; sa réédition, en 1923, compte plus de cent cinquante collaborateurs, dont trente-cinq étrangers (Europe et États-Unis) ; ce livre a contribué à la mise en place de la réforme de 1902, qui organise l’enseignement scientifique des lycées sous une forme dont les grandes lignes ont perduré jusqu’à aujourd’hui ;
  • en 1913, il publie sous l’égide de la Société française de physique, en collaboration avec Paul Sacerdote, un Recueil de constantes physiques, où sont rassemblées les contributions d’une centaine de physiciens, et qui rendra les plus grands services dans les laboratoires.

13Cet intérêt pour les relations sociales professionnelles se traduit de bien d’autres façons dans la suite de sa carrière :

  • en 1920, il est président de la Société des électriciens ;
  • la même année, il est choisi comme « collaborateur permanent » de l’administration des PTT en parallèle avec le professeur Camille Gutton (qui terminera sa carrière comme directeur du Laboratoire national de radioélectricité) ; et c’est à ce titre qu’Abraham joue un rôle important dans un comité technique chargé d’évaluer les projets de télévision à la fin des années 1930 ;
  • en 1921, avec le général Ferrié, il fonde la Société des radioélectriciens, pour mieux diffuser les acquis du travail accompli au service de radiotélégraphie militaire ; il lui succède en 1934 comme président de cette société (jusqu’à la Seconde Guerre mondiale) ;
  • en 1922, il est président de la Société française de physique ;
  • en 1930, il remplace le général Ferrié à la présidence de la Société française de chronométrie (jusqu’à la Seconde Guerre mondiale) ; ses expériences sur la mesure et l’enregistrement des temps courts le désignaient particulièrement à cela ;
  • en 1934, il devient secrétaire général de l’Union internationale de physique ; dès 1920 il avait œuvré, à l’intérieur de cette union, à la réintégration des physiciens allemands, qui en avaient été exclus pendant la Première Guerre mondiale.

Un génial inventeur de méthodes et d’appareils de mesure

14Parmi les publications d’Abraham, un livre écrit en collaboration avec Paul Langevin retient notre attention : Les Quantités élémentaires d’électricité : ions, électrons, corpuscules (1905) ; mais il paraît avant les expériences décisives de Millikan sur la charge de l’électron (1908) et ne sera jamais remis à jour. Abraham n’a pas pris le temps d’écrire de véritables ouvrages théoriques, où nous trouverions la trace de la qualité de ses cours oraux (comme le feront ses deux collègues plus jeunes Eugène Bloch et Georges Bruhat). Il a plutôt publié de longs articles de revue, très clairs, rédigés à partir de conférences destinées à différents groupes d’ingénieurs – de la « vulgarisation » de haut niveau.

15Sans doute Abraham était-il plus intéressé par son activité de laboratoire, en particulier par les méthodes d’expérimentation, le développement des techniques de mesure et les applications industrielles. Les deux publications citées plus haut sont la marque de son intérêt pour les méthodes pratiques de mesure, qui fera de lui un véritable inventeur de nombreux appareils : voltmètre électrostatique pour très hautes tensions (portant son nom), « rhéographe » pour l’enregistrement des courants très rapidement variables, microgalvanomètres photographiques, amplificateurs électroniques et magnéto-oscillographes utilisés pour la réception radio, multivibrateurs pour la mesure des fréquences, etc. Nous y reviendrons plus loin dans son œuvre scientifique, parce que ces appareils ont permis la réussite d’expériences scientifiques novatrices.

16Premier exemple de son intérêt pour les applications industrielles : en 1899 (il est encore au lycée Louis-le-Grand), il met au point une méthode de stérilisation des eaux par l’ozone, entreprise, à la suggestion du docteur Roux (ancien collaborateur de Louis Pasteur), avec la collaboration du docteur Marmier. Cet ozoneur industriel a été honoré d’un classement en première ligne lors d’un concours organisé par la ville de Paris en 1908 pour la stérilisation des eaux.

17Pendant la Première Guerre mondiale, alors qu’il est mobilisé au Service de télégraphie militaire, avec Eugène Bloch, il apporte une contribution exceptionnelle à la création de nouvelles techniques d’électronique, indispensables au développement des transmissions radio (voir infra, p. 21). Juste avant la guerre, il a réalisé une expérience pionnière, avec des équipements précaires, sur la propagation intercontinentale des ondes hertziennes entre Paris et Washington. En 1916, après l’invention et la construction des premiers amplificateurs, Abraham se déplace jusqu’à Washington avec l’un de ces appareils, et recommence l’expérience avec une sensibilité bien meilleure et une précision accrue. Cette nouvelle mesure de la durée de propagation des ondes à travers l’Atlantique permet une détermination plus précise de la longitude de Washington, et rendra service aux marins durant la suite de la guerre. À propos de cette coopération avec les militaires américains, sa fille Germaine racontait l’anecdote suivante :

Lorsqu’il fut envoyé à Washington, il était sous-lieutenant du Génie, grade qui parut tout à fait insuffisant eu égard à la mission qui lui était confiée ; il fut donc nommé commandant à titre temporaire, pour la durée de son séjour aux États-Unis. Mais lorsqu’il alla commander son nouvel uniforme, il ne savait pas encore combien il faudrait coudre de galons sur la manche ; et le tailleur, soupçonneux, prévint la sécurité militaire ! Il ne fallut pas moins que l’autorité de son camarade Painlevé, alors ministre de la Guerre, pour le tirer de ce mauvais pas.

18Abraham se rend de nouveau aux États-Unis l’année suivante : Charles Fabry et lui font partie, avec le grade de commandant, d’un groupe de six officiers constituant la Mission scientifique française aux États-Unis. Sur le bateau qui les emmène, du port de Bordeaux, ils sont rejoints par sir Ernest Rutherford et un officier supérieur de la Royal Navy, représentant le gouvernement britannique. Ils resteront environ trois mois aux États-Unis, jusqu’en août 1917, rencontrant les plus hautes autorités militaires et scientifiques pour échanger des renseignements sur toutes les techniques avancées contribuant à l’effort de guerre, avec un intérêt particulier pour la détection des sous-marins (qui font des ravages sur les transports transatlantiques). Parmi leurs interlocuteurs américains on note, par exemple, Edison, président du Naval Consulting Board, et Millikan, président du National Research Council. On voit la confiance accordée par le gouvernement français aux deux scientifiques Henri Abraham et Charles Fabry.

Les plans du nouveau laboratoire, la retraite et la déportation

19Nous avons évoqué plus haut les nombreuses tâches collectives confiées au professeur Abraham au sein d’au moins cinq sociétés savantes. Mais la tâche la plus importante qu’il accomplit avant de prendre sa retraite en 1937, c’est la conception du nouveau Laboratoire de physique de l’ENS. Il en conçoit les plans et l’agencement technique, en collaboration avec son successeur Eugène Bloch ; et il a la joie d’assister à son inauguration en 1938. Au jubilé Abraham de la même année, le directeur de l’École, Célestin Bouglé, s’extasiait sur l’énorme travail représenté par cette « collaboration avec les services de nos architectes, entrant dans les moindres détails », et proposait qu’à tous les diplômes d’Abraham « on ajoutât un brevet d’architecte ».

20C’est lui qui a voulu la construction du grand hall, à l’extrémité du bâtiment, en prévision des grandes distances nécessaires pour l’isolation lorsque l’on expérimente avec de très hautes tensions électriques de centaines de milliers, voire de millions de volts. Ce hall servira après la Seconde Guerre mondiale, sous la direction d’Yves Rocard, à installer un accélérateur électrostatique de particules Van de Graaf pour la recherche nucléaire. C’est lui aussi qui a, avec Bouglé, l’idée d’installer un court de tennis sur sa terrasse, dont les dimensions étaient parfaitement appropriées.

21Le professeur Yves Rocard, qui succède après la Libération, comme directeur de ce laboratoire, à Abraham et ses deux successeurs, était élogieux sur la conception du bâtiment qui lui était confié. Selon lui, ce bâtiment a inspiré les plans des nouveaux laboratoires du Collège de France, après la guerre, et de certains bâtiments du CEA à Saclay.

22Mais, bientôt, la Seconde Guerre mondiale éclate. Au moment de l’exode, Henri Abraham quitte Paris, sur ordre, pour suivre à Bordeaux la section technique de l’Artillerie, à laquelle il est attaché. Après l’Armistice, il rejoint sa famille à Aix-en-Provence. En 1942, les troupes allemandes envahissent la zone libre ; la police allemande découvre Abraham et vient l’arrêter dans la nuit du 23 juin 1943. On l’emmène à Marseille, en même temps que sa fille aînée, Thérèse (madame Legrain), qui n’a pas voulu quitter son père malade. Ils sont transférés à Drancy le 7 décembre pour un bref séjour, avant d’être déportés en Allemagne. Il est probable que Henri Abraham a été gazé à Auschwitz dès son arrivée ; sa fille ne l’aurait été que quelques semaines plus tard.


uEMuES

2301

πµπ
V

  1. créer un courant I = V/R à travers une résistance étalon R, et envoyer, grâce à un pont de résistance étalonné, une faible fraction connue e de ce courant, soit i1 =εI dans la paire de bobines inférieure d’un galvanomètre différentiel. Ce courant i1 mesuré en ampères (par définition un dixième d’unité CGSEM) doit équilibrer l’autre courant i2 ;
  2. charger un condensateur plan, de géométrie parfaitement définie, permettant de calculer sa capacité C, et sa charge Q = CV en unités CGSES. Un commutateur, tournant à = n tours/seconde, permet d’alterner charge et décharge ; et le courant de décharge moyen i2 = nQ est envoyé dans la partie haute du même galvanomètre différentiel.

iii
a) Calcul de la charge Q et du courant de décharge i2 = NQ


WQV

VEMREMIEM


b) Valeur de la résistance R en unités CGSEM
WRI2Wuu



c+6
c
c

L’œuvre scientifique de Henri Abraham

L’INVENTION DE MÉTHODES ET D’APPAREILS DE MESURE

24Ce sont les premiers travaux réalisés par Abraham, au laboratoire de l’ENS, lorsqu’il est encore professeur au lycée Louis-le-Grand.

Le voltmètre électrostatique Abraham-Villard

25Il est indispensable pour les expériences auxquelles Abraham participe avec Paul Villard (sorti de l’ENS cinq ans avant lui) sur les potentiels explosifs et les décharges oscillantes. Il est, en quelque sorte, obligé de l’inventer, parce qu’il n’en existe pas dans la gamme des très hautes tensions qu’ils utilisent.

Le rhéographe (1897)

26Cet appareil répond à une préoccupation constante d’Abraham, celle de l’enregistrement temporel des phénomènes rapides. Le rhéographe ne pouvait être inventé que par un théoricien : c’est l’oscillation spontanée d’un cadre d’ampèremètre (provoquée par le « choc » d’une variation brusque de courant) qui l’empêche ensuite de suivre les variations de ce courant électrique trop rapide. Dans l’équation différentielle de cette oscillation spontanée, figurent deux termes proportionnels aux deux dérivées, première et seconde, du courant. Abraham génère deux signaux proportionnels à ces deux dérivées et les injecte dans le cadre avec le signe opposé aux termes spontanés, supprimant ainsi l’oscillation spontanée. Le rhéographe peut alors suivre des variations de courant plus rapides et enregistrer la forme de signaux variables non sinusoïdaux (courbe d’hystérésis par exemple ou décharges oscillantes). Le rhéographe ne pourra pas résister face à la concurrence de l’oscillographe cathodique, qui commencera à se développer à partir de 1920 ; mais le professeur Yves Rocard, dans son livre de 1950, Électricité, ne résistera pas au plaisir de le décrire et d’en expliquer l’astucieux fonctionnement.

La mesure des durées extrêmement courtes

27Abraham a l’idée d’utiliser la distance parcourue par la lumière avec la vitesse de propagation c qu’il avait mesurée (indirectement) dans sa thèse : ces expériences sont réalisées en 1899 à l’ENS, en collaboration avec Jules Lemoine (de deux ans plus ancien que lui à l’École). Ils étudient la biréfringence électrique « accidentelle » des milieux transparents soumis à un champ électrique très intense (effet Kerr) entre deux plaques métalliques formant un condensateur. Ils se demandent alors si cette biréfringence disparaît instantanément ou non avec la disparition du champ électrique.

28Pour répondre à cette question, ils déchargent brutalement le condensateur à travers un éclateur produisant une étincelle très brillante et extrêmement courte ; et ils utilisent la lumière de l’étincelle pour mesurer la biréfringence. À l’aide de lentilles et de miroirs, ils réalisent un chemin optique de longueur variable entre l’étincelle et le milieu transparent. Quand le chemin optique est trop long, la lumière arrive un certain temps après l’annulation du champ électrique, et la biréfringence a disparu. En pratique, une longueur de 80 cm, parcourue en à peu près 3 ⋅10−9 seconde ou trois milliardièmes de seconde, diminue de moitié la biréfringence ; on a ainsi mesuré la durée de disparition de la biréfringence (qui est interprétée par Aimé Cotton comme la durée de réorientation des molécules).

29Cette méthode de mesure des durées très courtes sera ensuite utilisée par de nombreux physiciens américains. En France, Camille Gutton s’en est servie plus tard pour comparer directement les durées de propagation de la lumière avec celles des ondes électriques. Cette mesure de milliardièmes de seconde avait impressionné le directeur de l’ENS de la fin des années 1930, l’historien et sociologue Célestin Bouglé qui dans un discours parlait d’Abraham « le mesureur, le mensureur par excellence, le métronome fait homme ».

Le microgalvanomètre photographique

30Cet appareil a été mis au point par Abraham pour enregistrer l’instant d’arrivée du signal produit dans une antenne par une onde radio en impulsion très courte ; et il lui a servi dans les premières expériences de propagation intercontinentale.

Les appareils d’électronique

31Tous les nouveaux appareils d’électronique, nécessaires à la réception et l’émission des ondes radio, évoqués dans la première partie, ont été inventés et fabriqués par Abraham avec la collaboration d’Eugène Bloch au Service de télégraphie militaire pendant la guerre ; ce sont les amplificateurs à lampes, magnéto-oscillographes et multivibrateurs, qui seront décrits plus loin.

32Les horloges synchronisées sur la fréquence à 50 périodes du courant alternatif viendront plus tard, autour de 1930.

LA PROPAGATION INTERCONTINENTALE DES ONDES RADIO (1911-1914)

33Nous avons déjà signalé l’importance de son travail de thèse sur la mesure de la constante c, qui lui avait été inspiré par les premières expériences de Hertz sur les ondes électromagnétiques. Les progrès dans la manipulation de ces ondes le conduisent ensuite à s’intéresser à leur propagation.

34Les premières expériences de transmission à longue distance des ondes hertziennes avaient été réalisées par Marconi dans les dernières années du xixe siècle. La mesure de la durée de propagation de ces ondes est aux yeux d’Abraham un autre moyen de mesurer la vitesse c de leur propagation. Il commence ces expériences vers 1910, avec son élève Dufour et son ami le capitaine Ferrié, qui s’intéresse aux ondes radio dans le domaine des télécommunications militaires (depuis 1899, l’année où il avait assisté, dans une délégation officielle, à la première radio-transmission effectuée par Marconi entre l’Angleterre et la France).

35Tout au début du xxe siècle, ces premières expériences d’émissions radio sont obtenues en alimentant l’antenne émettrice avec le courant électrique oscillant, produit par décharge dans un éclateur (une étincelle intense mais très brève). À l’époque, il n’existait encore aucun appareil amplificateur pour recevoir les ondes radio ; il fallait mesurer directement le très faible courant redressé du détecteur à galène (plus commode que le « cohéreur » de Branly). Mais Abraham met au point son microgalvanomètre photographique, assez léger pour répondre très rapidement à l’impulsion de courant fournie par le détecteur (de l’ordre du nano-ampère) ; son spot est enregistré sur un papier photographique en déroulement continu. L’échelle de temps est étalonnée par un signal lumineux, enregistré sur le même papier photographique et provenant d’un petit miroir vibrant, fixé à l’extrémité d’un diapason.

36Après des essais sur des distances plus courtes (Paris-Toul, Paris-Toulon), Abraham se rend à Washington avec le capitaine Ferrié, pendant que Dufour opère à Paris avec un équipement identique, dans une cabane en bois installée au pied de la grande antenne suspendue à la Tour Eiffel. Ils utilisent la classique méthode des coups croisés, ou coups réciproques, déjà employée pour mesurer la vitesse du son, et qui permet de s’affranchir du décalage des horloges utilisées aux deux extrémités de la longueur ℓ parcourue (cf. figure 2) :

  • l’opérateur parisien envoie vers Washington une impulsion radio n° 1, dont il enregistre l’instant de départ t1 ;
  • à Washington, on enregistre l’instant t′1 d’arrivée de cette onde n° 1 ; on envoie aussitôt vers Paris une onde n° 2, dont on enregistre l’instant de départ t′2 ; on mesure ∆t′=t′2−t1 ;
  • à Paris, on enregistre l’instant t2 d’arrivée de l’onde n° 2 ; on mesure (t2−t1).

37Sachant que t1=t1 + ℓ/c, et t2=t′2 + ℓ/c=t′1 + Δt′+ ℓ/c

38soit t2 = t1 +2ℓ/c +∆t′ ; on en déduit que (t2–t1) − Δ′=2ℓ/c

39La différence des deux durées mesurées à Paris (t2 – t1) et à Washington ∆t′ est égale au double de la durée de propagation. Cette durée de propagation ℓ/c ≅ 21 millisecondes est mesurée avec une précision de la milliseconde, qui semble à peine croyable quand on pense à la rusticité des appareils. Elle permet de corriger le décalage horaire entre les deux continents et d’en déduire avec plus d’exactitude la longitude de Washington. Après la mise au point des amplificateurs radio au Service de télégraphie militaire, en 1916, Abraham retournera à Washington avec l’un de ces amplis, comme nous l’avons déjà signalé, et améliorera la précision de la mesure.

Durée de parcours – Méthode des coups croisés

Durée de parcours – Méthode des coups croisés

Figure 2 – Propagation radio intercontinentale
(H. Abraham, A. Dufour, G. Ferrié, 1913).

40En utilisant la longueur de l’arc de grand cercle entre Paris et Washington, calculée par le Service géographique de l’Armée et le Service hydrographique de la Marine, Abraham et Ferrié en déduisent une valeur de c ≅ 296 ⋅106 m/s, qui semble légèrement inférieure à la valeur de c communément admise. À cette époque, le problème reste ouvert ; car on ignore encore que la propagation à longue distance se fait le plus souvent par réflexion sur la couche électrisée de l’ionosphère, entre 90 et 100 km d’altitude, selon une ligne brisée un peu plus longue que l’arc de grand cercle.

LE SERVICE DE TÉLÉGRAPHIE MILITAIRE (1914-1918) (EN COLLABORATION AVEC EUGÈNE BLOCH)

41Au début de la Première Guerre mondiale, Ferrié devient commandant en chef du Service de télégraphie militaire et rassemble une équipe de scientifiques du meilleur niveau, parmi lesquels Henri Abraham, Eugène Bloch et Léon Brillouin. Pendant ces quatre années de guerre, Abraham et Bloch travaillent ensemble, en étroite collaboration, dans une équipe de la télégraphie militaire installée à l’ENS (qui comportait aussi Léon Bloch) ; ils inventent et mettent au point une série d’appareils nouveaux, qui feront faire des progrès décisifs aux transmissions par radio, et les rendent parfaitement opérationnelles. Impossible de distinguer la part de chacun dans ce travail collectif, car leurs publications scientifiques d’après guerre, qui décriront ces avancées, sont toutes signées de leurs deux noms. Ce qui suit concerne donc au même titre les deux hommes et sera rédigé au pluriel.

La lampe triode TM (télégraphie militaire)

42C’est leur premier travail. La lampe à trois électrodes, inventée aux États-Unis par Lee de Forest en 1907, était encore un jouet de laboratoire fragile, aux performances incertaines. Ils étudient en détail les causes d’imperfection et mettent au point des techniques de dégazage permettant d’obtenir un vide poussé et durable, ainsi qu’une construction calibrée, pour une production industrielle aux usines Grammont (l’un des fils Grammont est aussi normalien, de la même promotion que Léon Brillouin). En fait, c’est surtout Abraham qui est impliqué dans ce travail ; c’est lui qui va à Lyon, à l’usine de lampes d’éclairage Grammont, pour faire la mise au point. Dès l’automne 1915, à peine plus d’un an après le début de la guerre, les premières lampes triodes TM sont opérationnelles sur le front ; on en produira des millions pour l’usage de l’armée française et des armées alliées (même les Américains les emploieront).

Les amplificateurs radio

43En 1916, les premiers amplificateurs radio, utilisant les lampes TM, sont construits par Abraham et Bloch, et deviennent opérationnels. La figure 3 montre un modèle comportant neuf lampes triodes TM : quatre étages d’amplification haute fréquence, suivis par les lampes détectrices (qui remplacent l’ancienne galène), puis les lampes amplificatrices en basse fréquence (acoustique) ou en continu. C’est avec un appareil de ce genre qu’Abraham est allé à Washington en 1916 pour améliorer la précision des mesures de longitude, dégrossies en 1914, dont nous avons déjà parlé plus haut.

Figure 3 – Amplificateur TM (H. Abraham et E. Bloch, 1916).

44La recherche d’amplifications toujours plus importantes poussait à multiplier le nombre d’étages amplificateurs. Abraham et Bloch se limitent à quatre étages, parce qu’ils avaient déjà eu des difficultés, avec quatre étages en série, pour éviter les instabilités et les oscillations parasites qui se produisent spontanément dans les amplificateurs à très fort gain. Pour mieux comprendre l’origine de ces oscillations parasites, ils réalisent un circuit simplifié, où les couplages entre lampes successives sont renforcés, et qui va les conduire au multivibrateur.

Le multivibrateur

45En 1917, ils inventent le multivibrateur, oscillateur électronique d’un type nouveau, qui aura de multiples applications, parce qu’il permet de produire un grand nombre de fréquences fN multiples de sa fréquence de base f0 (fN = Nf0, où N est un nombre entier) ; et aussi parce que sa fréquence de base f0 peut être facilement « synchronisée » sur la fréquence fréf d’un oscillateur de référence, en sorte que f0 = fréf (voir encadré 2, p. 26).

46Ils utilisent ces multivibrateurs pour inventer une nouvelle méthode de mesure des fréquences par comparaison de multiples et de sous-multiples – méthode toujours actuelle. Les compteurs de fréquence, couramment utilisés dans nos laboratoires, sont les descendants directs des ancêtres imaginés par Abraham et Bloch ; avec les lasers, nous appliquons aujourd’hui les mêmes méthodes aux fréquences des ondes lumineuses. L’ondemètre, qu’ils construisent pour la télégraphie militaire en 1918, permet de mesurer les longueurs d’onde λ=ℓ/c des émetteurs radio avec une précision inégalée (la fréquence était alors inusitée dans le langage courant) ; et il porte cette étiquette, digne de la tradition militaire : « Longueurs d’ondes rectifiées, 1918 ».

Le magnéto-oscillographe

47En 1918, ils mettent au point le magnéto-oscillographe destiné à l’enregistrement des phénomènes rapides. Abraham avait déjà affronté les problèmes d’enregistrements de signaux rapides dans les expériences de transmission intercontinentale. Les amplificateurs, mis au point en 1916, permettent maintenant de disposer d’intensités de courant plus intenses (de l’ordre du milliampère, au lieu des nano-ampères avec la galène en direct). Ces courants, envoyés dans une bobine de fil électrique, peuvent créer des champs magnétiques assez forts pour dévier une légère palette de fer doux (figure 4). La déviation est le résultat des deux champs magnétiques opposés, créés par les deux bobines parcourues en sens opposés par le même courant. La palette est suffisamment légère pour répondre très rapidement en un centième de seconde ; un modèle avec une petite palette très allégée peut répondre en deux ou trois millisecondes. La palette entraîne l’inscripteur E, qui est monté sur le même axe de rotation et fait une trace blanche sur un papier déroulant enduit de noir de fumée. Ces appareils seront utilisés pendant vingt ans par le Bureau international de l’heure (à l’Observatoire de Paris), pour enregistrer les signaux horaires, reçus par radio, en provenance du monde entier.

48Cette activité si efficace au service de la télégraphie militaire est reconnue en 1918 par l’élévation de Henri Abraham au grade d’officier de la Légion d’honneur, à titre militaire. La paix retrouvée, ils publient, les deux années suivantes, plusieurs articles scientifiques décrivant ce travail commun. Les deux professeurs retournent alors à leurs études civiles dans des domaines séparés.

49Mais les années qui suivent, dans une France épuisée par l’effort de guerre, sont une époque de crise financière, aux maigres ressources budgétaires. Abraham maintient heureusement les relations avec les établissements de la télégraphie militaire et peut encore en tirer des ressources importantes. Il est de ce point de vue un précurseur d’Yves Rocard, qui utilisera les mêmes méthodes, à plus grande échelle, après la Seconde Guerre mondiale, auprès de la Marine nationale et du Commissariat à l’énergie atomique, par exemple.

Figure 4 – Magnéto-oscillographe enregistreur
à la télégraphie militaire (1918).










  1. La figure 6 montre le schéma d’un dispositif permettant de synchroniser un multivibrateur sur les contacts intermittents d’un interrupteur B. Ceux-ci se répètent à chaque seconde, chaque fois que le levier A est soulevé par une dent de la roue dentée R, qui appartient aux rouages d’une horloge à pendule. Les impulsions électriques données par ces contacts sont amplifiées par une lampe triode, avant d’être transmises au multivibrateur. La fréquence d’oscillation de ce dernier (voisine de dix périodes par seconde) se synchronise exactement pour donner dix créneaux carrés en une seconde.
  2. La figure 7 est une représentation des harmoniques de la fréquence de base f0 du multivibrateur. La théorie mathématique de Fourier montre que le signal carré est égal à la somme d’un grand nombre de sinusoïdes aux fréquences multiples de f0. Le filtrage à l’aide d’un circuit électrique résonnant (avec condensateur et bobine de self induction) permet de sélectionner un harmonique particulier, de fréquence fN = Nf0, où le nombre entier N peut atteindre plusieurs centaines, voire le millier.



L’OSCILLOGRAPHE CATHODIQUE DE DUFOUR (1920)

50La préoccupation d’Abraham au sujet de l’enregistrement des phénomènes rapides ne pouvait s’arrêter au magnéto-oscillographe et au rhéographe ; et l’on comprend qu’il ait accueilli au Laboratoire de physique de l’ENS son ancien élève Dufour qui, après la guerre, voulait continuer les études commencées à la télégraphie militaire sur l’oscillographe cathodique, dans la ligne du projet publié en 1914 dans les Comptes rendus de l’Académie.

51L’appareil comporte déjà les trois éléments essentiels, qui constituent nos oscillographes modernes (figure 8) :

  • le tube cathodique, qui joue le rôle occupé maintenant par le canon à électrons ;
  • la zone de déviation des électrons de grande vitesse par un champ électrique ou un champ magnétique ;
  • la zone d’inscription des impacts électroniques sur une surface sensible à l’énergie cinétique qu’ils transportent, à savoir un papier photographique enroulé sur un cylindre tournant, pour donner la dimension du temps (c’est une variante du papier photographique à déroulement continu des microgalvanomètres photographiques, utilisés avant le magnéto-oscillographe) ; l’appareil doit être entièrement enfermé dans un caisson métallique, vidé d’air ; et il faut « casser » le vide pour ouvrir la porte du caisson et en extraire le papier photographique pour le développer ; c’est un peu compliqué, mais les premiers essais d’utilisation de la déviation des rayons cathodiques (Braun, 1895) ne permettaient pas l’enregistrement des signaux rapides, à cause de la trop faible luminosité des écrans fluorescents connus à cette époque.

Figure 8 – Schéma de l’oscillographe cathodique de Dufour (ENS, 1920).

52La rotation du cylindre est seulement utilisée pour les signaux de basse ou moyenne fréquence. Elle est trop lente avec les hautes fréquences, pour lesquelles on utilise déjà un balayage par déviation magnétique alternative (et une plaque photographique plane). Pour séparer les courbes inscrites à chaque tour du cylindre, dans le premier cas (ou à chaque demi-période du balayage alternatif, dans le second cas), on ajoute au signal rapide mesuré une tension continue variant régulièrement, qui déplace la courbe dans le sens de la hauteur de ce signal.

53La figure 9 montre la salle d’expérience de Dufour, à l’ENS, en 1920. On distingue, au premier plan, dans ce fouillis, alignés verticalement de haut en bas :

  • le tube cathodique, proche du plafond ;
  • la zone de déviation des électrons, sous le tube, entre les quatre colonnettes, qui servent à supporter le tube cathodique ;
  • le caisson métallique A, en forme de tronc de cône, posé sur la table en bois ; on voit sur le caisson : à mi-hauteur, à droite, le hublot d’observation, dans la partie basse la porte ronde donnant accès à l’intérieur du caisson ;
  • la grosse pompe à vide D, placée sous la table.

54Dans son article paru dans le Journal de physique en 1920, Dufour présente des enregistrements effectués pendant la guerre, dans le laboratoire souterrain de la télégraphie militaire au pied de la Tour Eiffel. Le rêve d’enregistrement très rapide d’Abraham commence à se réaliser ; mais la difficulté d’utilisation reste importante. Il faudra attendre 1934 pour que les premiers oscillographes modernes, fabriqués industriellement, commencent à apparaître.

Figure 9 – Photographie de l’oscillographe de Dufour (ENS, 1920).

LA THÈSE DE SON ÉLÈVE JEAN MERCIER (1923) : NOUVELLE MESURE DE LA VITESSE C DE PROPAGATION DES ONDES

55Ce travail, effectué sous la direction d’Abraham, rassemble toutes ses idées, ses savoir-faire et ses préoccupations. On utilise en effet les possibilités de synchronisation et de multiplication de fréquence des multivibrateurs (voir encadré 2, p. 26) pour produire une très haute fréquence f, mesurée avec exactitude ; et on utilise cette haute fréquence pour une nouvelle mesure plus précise de la vitesse de propagation des ondes, qui avait toujours constitué une préoccupation d’Abraham depuis ses premiers travaux.

56La figure 10 montre le schéma général de l’expérience : on a construit sept oscillateurs s’étageant entre 50 et 75 MHz ; chacun d’eux est synchronisé sur l’oscillateur de fréquence immédiatement inférieure. L’oscillateur de la plus basse fréquence (50 Hz) est enregistré par un magnéto-oscillographe et comparé avec les signaux envoyés chaque seconde, à travers une ligne téléphonique, à partir d’une horloge de l’Observatoire de Paris. C’est probablement la première utilisation du téléphone en métrologie. Aujourd’hui, la transmission de fréquences étalons par téléphone et par radio est chose courante (et nous généralisons le procédé lorsque nous recevons dans nos laboratoires, à travers une fibre optique, la lumière laser, étalonnée en fréquence, provenant des caves de l’Observatoire).

57La tension électrique à la plus haute fréquence f = 75 MHz est appliquée à deux longs fils de cuivre parallèles, séparés de quelques centimètres, et reliés par un pont de cuivre glissant, sur une distance de quelques mètres (dispositif de Lecher). La théorie de Maxwell permet de calculer que l’onde se propage le long des fils avec la même vitesse c que dans le vide, si les deux fils sont des conducteurs parfaits. Un bon positionnement du pont permet d’obtenir un système d’ondes stationnaires, présentant des nœuds et des ventres (minima ou maxima de l’intensité de l’onde). La distance entre deux positions favorables du pont en cuivre (conduisant aux intensités maximales les plus fortes) est égale à la moitié de la longueur d’onde (λ/2) ou un multiple de cette moitié.

Figure 10 – Thèse de Jean Mercier dirigée par Henri Abraham.
Mesure de la vitesse des ondes c = λ f.

58Cette propriété des fils de Lecher permet de mesurer la longueur d’onde (voisine de 4 m) avec une précision de l’ordre du dixième de millimètre.

59À partir de ces deux mesures indépendantes de la longueur d’onde λ et de la fréquence f, on déduit la vitesse de propagation, égale à leur produit : c = λ f. Cette mesure de c, réalisée trente ans après la thèse d’Abraham, est dix fois plus précise :

60c = 299 750 km/s avec une erreur d’environ 1/ 10 000.

61La précision de mesure de c par cette méthode (produit λf) ne sera améliorée que beaucoup plus tard, après la Seconde Guerre mondiale, en Angleterre. Appliquée aux États-Unis, en 1973, à l’onde lumineuse issue d’un laser, la même méthode permettra la mesure de c avec neuf chiffres significatifs (c’est la valeur indiquée à la fin de l’encadré 1, p. 12).

Table des illustrations

Légende Henri Abraham.
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Titre Durée de parcours – Méthode des coups croisés
Légende Figure 2 – Propagation radio intercontinentale(H. Abraham, A. Dufour, G. Ferrié, 1913).
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Légende Figure 3 – Amplificateur TM (H. Abraham et E. Bloch, 1916).
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Légende Figure 4 – Magnéto-oscillographe enregistreurà la télégraphie militaire (1918).
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Légende Figure 8 – Schéma de l’oscillographe cathodique de Dufour (ENS, 1920).
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Légende Figure 9 – Photographie de l’oscillographe de Dufour (ENS, 1920).
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Légende Figure 10 – Thèse de Jean Mercier dirigée par Henri Abraham.Mesure de la vitesse des ondes c = λ f.
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© Éditions Rue d’Ulm, 2009

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