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Les usages variés, mais limités, de l'électricité avant la dynamo et les usines électriques

Par Christine Blondel et Bertrand Wolff

 

L'électrification des villes et du monde industriel commence à la fin des années 1870 grâce à une nouvelle machine, la dynamo, qui s'est révélée pouvoir fonctionner aussi bien en moteur qu'en générateur de courant. L'ampoule à incandescence ayant suivi de près la dynamo, c'est donc à la fois la lumière et l'énergie mécanique que des usines électriques peuvent peu à peu transmettre aux ateliers, aux tramways, aux ascenseurs, aux chantiers, et aux espaces publics ou privés. Avant la mise en place des réseaux de distribution reliant ces usines aux lieux de consommation de l'électricité, le réseau de la télégraphie électrique couvrait déjà une bonne partie du monde. Mais le télégraphe transmet de l'information, non de l'énergie. Avant l'époque de la dynamo, les usages de l'électricité s'appuyant sur les piles et sur les machines magnéto-électriques — télégraphe, galvanoplastie, éclairage à arc, médecine, explosifs, etc. — ne modifient pas encore la vie quotidienne. Ils restent limités aux lieux de production de l'électricité. Mais ils ont marqué les esprits et montré des possibilités très variées de cette puissance invisible.

Une histoire rétrospective... tout à fait illusoire

Dès 1800, on constate qu'un fil métallique reliant les deux bornes d'une pile suffisamment puissante s'échauffe et peut même devenir incandescent. N'est-ce pas là le chauffage et l'éclairage électriques ? Vous préférez un éclairage d'un blanc éblouissant ? En 1813, Davy fait jaillir un arc électrique de près de 10 cm de long entre deux tiges de charbon connectées à la grande pile de la Royal Institution.

En 1820 Ampère propose d'utiliser la déviation d'une aiguille aimantée sous l'action d'un courant électrique, découverte par Oersted, pour construire un télégraphe constitué d'autant de fils et d'aiguilles magnétiques que de lettres de l'alphabet. N'est-ce pas là le télégraphe électrique ?

Peu après, Faraday et Ampère mettent en rotation continue des fils conducteurs sous l'action d'un aimant, et Barlow fait tourner une petite roue en la faisant traverser par un courant électrique. Un mouvement produit par l'interaction entre un aimant et un courant, n'est-ce pas là le moteur électrique ?

Certes les piles électriques, même les plus imposantes, ne pouvaient fournir qu'une puissance très inférieure à celle des machines à vapeur. Qu'à cela ne tienne ! Avec la découverte de l'induction, Faraday montre en 1830 qu'il est possible de produire un courant électrique par le simple mouvement d'un aimant devant un circuit. N'est-ce pas là l'alternateur ? Et, lorsqu'il enroule deux bobines sur un anneau de fer, le transformateur ? [Sur le phénomène d'induction et son application à l'alternateur et au transformateur, voir la vidéo Faraday : créer de l'électricité à partir du magnétisme ? a7ec50d516ed625b786591b18bd05cb2.gif]

Cette "histoire", où tout est déjà présent dans les années 1830 — éclairage électrique, moteur, alternateur, transformateur — est illusoire. S'appuyant sur des expériences de laboratoire et sur les lois de la physique, elle fait fi de l'histoire des techniques et de l'histoire sociale et économique. Comme il a déjà été souligné dans la page Ampère a-t-il inventé le galvanomètre, le télégraphe, l'électroaimant, le moteur électrique ?, la mise au point d'un objet technique et son intégration plus ou moins rapide dans un environnement social et industriel font certes intervenir des connaissances scientifiques mais cela ne suffit pas. Il faut encore des inventeurs, des ingénieurs, des constructeurs ouverts aux innovations, des investisseurs, une législation pas trop défavorable, une demande à satisfaire ou à susciter, sans oublier les techniques anciennes ou concurrentes avec lesquelles il faut rivaliser.

Par ailleurs les premières applications, et en particulier la télégraphie électrique, soulevèrent de nombreuses questions techniques — mesure du courant électrique, problèmes du retard ou des coupures accidentelles dans les lignes, nécessité de comparer des résistances électriques, etc. — qui ont amené les physiciens, essentiellement britanniques, à des avancées considérables en physique. La théorie électromagnétique de Maxwell et l'établissement d'un système d'unités électriques internationales doivent beaucoup aux demandes de la télégraphie électrique [Voir la page Le coulomb, l'ampère, le volt, le watt, l'ohm... Quand sont nées les unités électriques ?]. Il y a donc un mouvement à double sens entre avancées scientifiques et applications techniques.

Les câbles du télégraphe électrique traversent les océans

Les débuts du télégraphe électrique ont été retracés dans la page Ampère a-t-il inventé.... La télégraphie, avec ses systèmes en concurrence (Wheatstone, Morse, Baudot, etc.), constitue le premier domaine où se crée dans les différents pays européens une industrie électrique destinée à la production des piles, galvanomètres, câbles et isolateurs. Après l'établissement des réseaux terrestres nationaux, c'est l'épopée des liaisons sous-marines.

Un des problèmes techniques redoutables posés par les câbles sous-marins, était celui de leur enveloppe isolante. L'eau de mer étant conductrice et corrosive, il fallait trouver un excellent isolant, inaltérable, parfaitement étanche, flexible... et de coût raisonnable. La question est résolue en 1849 par l'importation, depuis les îles d'Océanie, de la gutta-percha, une gomme végétale très proche du caoutchouc naturel mais inaltérable dans l'eau de mer, contrairement à ce dernier.


Fig. 1. La structure du premier câble sous-marin (à travers la Manche), reprise à quelques détails près par les câbles ultérieurs. Les fils de cuivre (A) sont gaînés de gutta-percha (C), entrelacés avec des cordes de chanvre (B,D). Une autre corde de chanvre (E) enveloppe cet ensemble, aggloméré par du goudron. Le tout est fortement serré par une dizaine de fils de fer galvanisés (F), qui assurent la résistance à la rupture.
[Louis Figuier, Les merveilles de la science, t. 2, 1868]

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Fig. 2. La salle de mesures électriques à bord du Great Eastern.

La liaison Angleterre-France est établie en 1851. L'aventure de la pose du câble entre l'Angleterre et les Etats-Unis dure une dizaine d'année, avec plusieurs échecs, avant que fonctionne, en 1866, la première liaison télégraphique transatlantique. Plusieurs milliers de kilomètres d'un câble d'un seul tenant, lovés dans les cales du Great Eastern, le plus grand navire de l'époque décrit par Jules Verne dans L'île flottante, ont été déroulés et immergés au fond de l'océan Atlantique. Plusieurs compagnies télégraphiques se lancent ensuite à l'assaut des mers et des océans et à la fin du siècle on compte plus de 200 000 kilomètres de câbles sous-marins.

Comme le souligne le grand vulgarisateur Louis Figuier, "l'assentiment des savants était beaucoup dans cette affaire ; mais ce n'était pas tout, il fallait celui des capitalistes". De fait les investissements nécessaires étaient considérables. Dans cette entreprise se côtoient financiers, entrepreneurs, ingénieurs télégraphistes et savants. La fabrication d'un câble, son transport, le contrôle permanent de ses qualités électriques au cours de la pose mobilisent les techniques et les connaissances scientifiques les plus avancées de l'époque. Mais si les problèmes mécaniques sont redoutables et se traduisent d'abord par des ruptures de câbles, d'autres difficultés exigent de la part des ingénieurs des avancées théoriques et pratiques en électricité.

La pose du câble à travers la Manche avait déjà montré que la transmission des signaux télégraphiques est ralentie lorsque la longueur du câble devient importante. Faraday, Wheatstone et Siemens considèrent la ligne télégraphique comme un ensemble formé par un conducteur central, un isolant et une armature extérieure métallique, c'est-à-dire comme un condensateur. William Thomson montre ensuite que la vitesse de transmission des signaux, à travers une ligne plongée dans l'eau salée conductrice, est d'autant plus grande que la résistance R de la ligne et sa capacité C sont faibles. Il faut donc améliorer à la fois les qualités conductrices des câbles et leur isolement. Ceci amène Thomson à établir une équation mathématique pour la propagation du signal télégraphique le long du câble, première forme de la célèbre "équation des télégraphistes".

Il faut aussi inventer de nouveaux appareils pour mesurer les résistances électriques et les capacités. Là encore la contribution de Thomson (anobli en Lord Kelvin à l'issue de ces travaux) est particulièrement importante. Il construit notamment un galvanomètre à aimant et miroir, ultrasensible, qui est utilisé tout au long de la pose pour contrôler la conductivité du câble. D'autre part le système Morse se révélant inadapté aux liaisons sous-marines, ce même galvanomètre est également utilisé comme récepteur télégraphique.

C'est dans la télégraphie, aussi bien terrestre que sous-marine, que se forment les premiers techniciens de l'électricité et que se constitue un nouveau corps spécialisé. De leur côté les physiciens comme Thomson ou Maxwell s'impliquent dans des collaborations avec des sociétés de construction d'instruments et avec l'administration des télégraphes. Les nouveaux savoirs professionnels, les nouveaux matériels et instruments (interrupteurs, résistances variables, isolateurs, etc.) mis en oeuvre pour la télégraphie seront essentiels aux débuts de l'électricité industrielle.

La galvanoplastie : "le goût du luxe à bon marché"

Alors que la télégraphie était utilisée essentiellement par les administrations et les institutions économiques et financières, la galvanoplastie s'adresse à un public beaucoup plus large. Cette technique permet de recouvrir, par électrolyse, un objet quelconque d'une couche plus ou moins fine d'un métal précieux ou protecteur. C'est avec lyrisme que Figuier évoque les futures usines métallurgiques où la pile voltaïque est "descendue du laboratoire du savant" pour s'installer dans les ateliers : 

"Au lieu de ces armées d'ouvriers qui s'agitent jour et nuit, consumés par le feu, noircis par la fumée, (...) on verra dans une série de beaux laboratoires, une légion de tranquilles opérateurs s'appliquer à manier en silence les appareils d'électricité".

En fait les émanations suffocantes des grandes piles et des cuves à électrolyse utilisées pour la dorure, l'argenture ou l'étamage, ne créaient pas des conditions de travail vraiment idylliques.

En quoi consiste le procédé ? Le dépôt de métal sur la cathode de certaines cuves à électrolyse remplies d'une solution de sels métalliques a été observé dès les années 1800. Mais ces dépôts, plus ou moins granuleux, ne présentaient pas l'éclat métallique. Le physicien russe Moritz von Jacobi, ayant remarqué qu'avec certains sels de cuivre, la cathode se recouvre d'une très fine couche de cuivre reproduisant fidèlement les irrégularités de relief de la cathode, propose en 1837 une application de cette observation. En prenant un objet quelconque (conducteur) comme cathode et une anode en cuivre, on peut recouvrir l'objet d'une couche de cuivre tandis que l'anode perd la même quantité de ce métal, d'où le nom de procédé "à anode soluble". Jacobi étend le procédé à des objets non conducteurs — de plâtre, cire, gutta-percha... — en les recouvrant au préalable d'une couche conductrice de graphite très pur (la plombagine). Une grande manufacture fournit bientôt en grand nombre à l'Église orthodoxe médailles et statuettes cuivrées par galvanoplastie.

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Fig. 3. Groupe destiné au toit de l'Opéra, haut de 5 m et recouvert de cuivre par les ateliers Christofle (dans une cuve à électrolyse de 10 m de profondeur).
[Figuier, Les merveilles de la science, t. 2]

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Les Anglais Henry et Richard Elkington et le Français Henri de Ruolz prennent des brevets pour la dorure et l'argenture avec des bains électrolytiques plus complexes. Des couverts, des articles de table, etc., en métal ordinaire, se transforment en argenterie "à la disposition de tous". L'orfèvre français Charles Christofle se lance dans la fabrication industrielle de ce "plaqué argent" : de 1842 à 1860 la société Christofle vend plus de cinq millions de couverts argentés. C'est "le luxe à bon marché" !

Fig. 4. Appareil pour l'argenture [Figuier, Les merveilles de la science, t. 2]

Les applications se diversifient : statues de grande taille qui s'imposent dans l'espace public, ou reproduction des planches de cuivre des graveurs et des imprimeurs. A partir des années 1860, le mobilier urbain — lampadaires, fontaines, etc. — est protégé de la corrosion par un cuivrage de forte épaisseur.

Fig. 5. Les cuves à argenture de l'usine Christofle (à droite).
Les couverts à argenter, prêts à être plongés dans le bain (en bas).
[Figuier, Les merveilles de la science, t. 2]

 

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L'éclairage à arc : pour les spectacles et les places publiques

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Lorsque Humphry Davy démontre publiquement que la décharge électrique entre deux tiges de charbon dure plus longtemps lorsque les charbons sont placés à l'intérieur d'un globe de verre, il s'agit encore d'une expérience de laboratoire. Une vive étincelle en forme d'arc — "l'arc électrique" — jaillit entre les tiges lorsqu'elles sont reliées à la grande pile de la Royal Institution. Mais les charbons s'usent rapidement, malgré le vide partiel à l'intérieur du globe, et la distance entre les pointes augmente jusqu'à ce que l'arc s'interrompe.

Fig. 6. La décharge électrique en forme d'arc. [Robert M. Ferguson, Electricity, 1866]

Afin d'utiliser l'arc électrique pour l'éclairage, Léon Foucault réussit en 1844 à faire fonctionner un arc sans placer les charbons dans le vide, en remplaçant le charbon ordinaire par du "charbon de cornue", issu de la distillation de la houille, plus compact et d'usure moins rapide. Il en fait une démonstration publique spectaculaire place de la Concorde. Mais les charbons doivent être rapprochés régulièrement à la main au fur et à mesure de leur consommation. De nombreux inventeurs en Europe cherchent à s'affranchir de cette manipulation au moyen de mécanismes divers. En 1847 W. Edward Staite à Londres et Foucault à Paris ajoutent indépendamment un "régulateur" qui rapproche automatiquement les pointes en fonction de l'intensité du courant (fig. 7). La "lumière électrique" dure alors autant que les charbons, c'est-à-dire au plus quelques heures. L'illumination des Champs-Elysées ou du palais de Buckingham, par des lampes à régulateur alimentées par une bonne centaine de piles Bunsen, suscite l'émerveillement.

A l'Opéra de Paris la lampe à arc permet de simuler le lever ou le coucher du soleil lors des représentations. Les usages prestigieux de la lumière électrique assurent une notoriété certaine à l'inventeur Foucault et au constructeur Duboscq avec lequel il s'est associé.

Malgré de nouveaux perfectionnements, tel le régulateur de Serrin (1857) qui assure une intensité plus constante, les applications des lampes à régulateur restent cependant limitées à des illuminations momentanées de monuments, spectacles et cérémonies, ou à l'éclairage nocturne de quelques grands chantiers.


Fig. 7. La lampe à arc, munie du régulateur de Foucault, construite par Duboscq (1849).
Un électroaimant, en série dans le circuit des charbons, agit sur un mouvement d'horlogerie, de sorte qu'une diminution du courant commande le rapprochement des pointes. [Figuier, Les merveilles de la science, t. 4, 1870]

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L'éclairage à arc nécessite en effet au moins une cinquantaine d'éléments Bunsen (une centaine de volts). La consommation rapide de ces coûteuses batteries de piles, sans parler de leurs vapeurs acides, font de l'éclairage électrique un piètre concurrent face à l'éclairage au gaz. Ce dernier, expérimenté dès 1819 dans quelques rues de Paris, puis dans de nombreuses institutions, s'est développé rapidement jusqu'à être adopté en France par toutes les grandes villes dans les années 1850, non seulement pour l'éclairage public, mais même chez des particuliers.

L'arc électrique pose un autre problème : sa lumière est très intense et éblouissante. Même à plusieurs mètres, son éclat est insupportable, et il est dangereux de regarder directement l'arc. Or on ne trouve pas de méthode pour "diviser en mille petits flambeaux l'arc étincelant".

De fait l'usage de l'arc électrique sera limité aux lieux publics et à quelques applications très spécifiques, comme les phares, ou au XXe siècle les projecteurs de cinéma.



 

Fig. 8. Représentation d'une place allemande éclairée par une lampe à arc. Les piles se trouvent sous le support de la lampe [Karl Birnbaum, Das Buch der Erfindungen, 1872].

Les recherches sur les sources de courant : la quête d'une pile "impolarisable" et l'accumulateur

Les premières piles, comme celle de Volta, présentent un défaut majeur : la tension qu'elles délivrent baisse rapidement au cours de leur fonctionnement. La cause principale de ce phénomène, dit de "polarisation", est vite décelée : une couche d'hydrogène se forme à la surface de l'électrode de cuivre lors du fonctionnement de la pile. De nombreux chimistes, constructeurs ou ingénieurs télégraphistes cherchent à mettre au point des piles délivrant une tension constante, dites "impolarisables". La pile à deux liquides séparés par une paroi poreuse connue sous le nom du chimiste anglais Daniell (1836) fournit une tension très stable mais de faibles courants. Elle ne peut satisfaire aux besoins de la télégraphie. De multiples combinaisons de solutions chimiques et d'électrodes de matériaux divers sont explorées. La pile Bunsen (1841), la pile Grenet (1850), et la pile Leclanché (1867) dominent le marché français pour la pratique médicale, la télégraphie et la galvanoplastie. Ces piles, dites "à dépolarisant", comportent une électrode positive de charbon, entourée d'un oxydant puissant : acide nitrique dans la pile Bunsen, bichromate de potassium dans la pile Grenet, dioxyde de manganèse dans la pile Leclanché. En 1881 près de 300 000 piles Leclanché, dont les piles salines actuelles sont des variantes, ont été vendues, essentiellement pour la télégraphie.

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Fig. 9. Quelques uns des multiples modèles de piles du XIXe siècle (Grenet, Bunsen, Leclanché)
[Lycée Emile-Zola, Rennes]

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En 1860 une nouvelle source de courant électrique est présentée par Gaston Planté, préparateur au Conservatoire des arts et métiers. Son "accumulateur", ou "pile secondaire", n'est autre qu'une cuve à électrolyse — électrodes de plomb et solution d'acide sulfurique — qui a été traversée par un courant électrique pendant un certain temps. Du fait de l'oxydation de l'anode de plomb, la cuve à électrolyse peut ensuite "rendre de l'électricité", c'est-à-dire se comporter comme un générateur. Les réactions chimiques s'inversent alors, provoquant le passage d'un courant jusqu'au rétablissement de la symétrie entre les électrodes. On "recharge" à nouveau l'accumulateur à l'aide des piles. Après une succession de charges et de décharges, la couche d'oxyde de plomb devient de plus en plus importante, et avec elle la quantité d'électricité "accumulée". C'est le principe des accumulateurs au plomb.

Alors que l'usage des piles diminue lorsqu'apparaissent les machines magnéto-électriques puis les dynamos, celui des accumulateurs s'est étendu : éclairage à arc ou à incandescence, freinage des wagons de chemin de fer, voire traction des tramways électriques.

Fig. 10. Un élément d'accumulateur Planté, chargé par deux piles Bunsen (B, B') en série.
[Figuier, Les merveilles de la science, suppl., 1890]

L'électrothérapie : une nouvelle spécialité médicale

L'engouement pour l'électricité médicale à la fin du XVIIIe siècle est souvent évoqué, mais sa renaissance au milieu du XIXe siècle et son succès jusqu'à la première guerre mondiale sont largement oubliés. Pourtant, tous les appareils de production d'électricité successivement mis au point au cours du XIXe siècle — pile électrique, machines à induction électromagnétique, bobine de Ruhmkorff, accumulateur de Planté, dynamo de Gramme, nouvelles machines électrostatiques à influence, appareils de production de hautes tensions et de hautes fréquences — ont été proposés par leurs inventeurs ou par leurs constructeurs, pour une utilisation à des fins médicales.

Les modes d'application de l'électricité sont très variés : les bobines d'induction servent notamment à étudier et traiter le système neuromusculaire, l'accumulateur au plomb de Planté à la cautérisation par l'électricité, les courants à haute fréquence des grands solénoïdes d'Arsène d'Arsonval à la diathermie. De même la dynamo de Gramme est immédiatement utilisée en médecine. Avant que l'électricité industrielle ne constitue un marché de masse, la mise au point de machines pour l'électrothérapie ouvre un marché important aux constructeurs.

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Fig. 11. Application de courants d'induction pour traiter des pathologies neuromusculaires. [Duchenne de Boulogne, De l'électrisation localisée, 1855]

La vogue de l'électrothérapie dans tous les pays développés s'est traduite par une consommation importante de petites machines à induction par les particuliers. Si dans les pays anglo-saxons l'électricité médicale est repoussée aux frontières de la médecine officielle, en France elle est reconnue comme une spécialité au même titre que la cardiologie ou la chirurgie.

Les machines magnéto-électriques avant la dynamo

Peu après la découverte de l'induction par Faraday en 1831, plusieurs constructeurs cherchent à produire un courant électrique par un mouvement relatif entre un circuit et un aimant permanent, c'est-à-dire à partir d'un travail mécanique [Voir la page Créer de l'électricité avec le magnétisme ? La découverte de l'induction]. Dans ces machines le circuit induit est constitué de bobines à noyau de fer doux et l'inducteur est un aimant permanent, d'où l'appellation de machines magnéto-électriques qui leur est donnée à l'époque.

En 1832, le fabricant d'instruments Hyppolyte Pixii, conseillé par Ampère, construit une machine où une manivelle permet de faire tourner un aimant en fer à cheval devant deux bobines fixes. Mais ce dispositif produit dans les bobines un courant qui change de sens au rythme de la rotation. Or depuis la pile de Volta la seule forme de courant connue, et utilisée dans l'électrolyse, est le courant continu. Aussi Ampère conçoit-il un "commutateur" pour transformer le courant alternatif de la machine de Pixii en un courant unidirectionnel (fig. 12 a).

Avec les anglais Ritchie, puis Clarke (1835) ce sont au contraire les bobines qu'on fait tourner, toujours à la main, devant les pôles d'un fort aimant en U (fig. 12 b).

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  Fig. 12 a. La machine de Pixii (1832).
L'aimant en U tourne devant les bobines fixes, un commutateur (plus moderne que celui d'Ampère) se trouve sur l'axe de rotation, à la base de l'aimant.
[Emile Desbeaux, Physique populaire, 1891]


[Voir la vidéo Pixii's magneto-electric machine
sur le site du Museo Galileo de Florence a7ec50d516ed625b786591b18bd05cb2.gif]


Fig. 12 b. La machine de Clarke, longtemps utilisée comme machine de démonstration dans les laboratoires.
[Lycée Guez de Balzac, Angoulême]                

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En Europe et en Amérique diverses variantes de machines magnéto-électriques voient le jour. Ainsi Wheatstone parvient-il à réduire les variations du courant qui, dans les premières machines, oscille entre zéro et une valeur maximale, en plaçant judicieusement un plus grand nombre de bobines en série. Mais ces machines, manuelles et de petite taille, restent essentiellement des appareils de laboratoire ou de démonstration. Seule l'électricité médicale en fait un usage courant.

Des machines magnéto-électriques de taille plus imposante, fonctionnant suivant le même principe mais mises en mouvement par une machine à vapeur, sont construites à partir des années 1840. En Angleterre quelques firmes de galvanoplastie alimentent leurs cuves à électrolyse avec de telles machines. Puis on cherche à remplacer les lampes à huile des phares par des lampes à arc alimentées par des machines comportant des dizaines de bobines réparties sur plusieurs disques tournants. Après avoir étudié le système de Holmes, Faraday, conseiller scientifique de l'administration anglaise des phares, approuve en 1857 l'essai de l'éclairage électrique. Une machine de Holmes à 160 bobines est installée au phare de Douvres en 1862. En France, une machine similaire est fabriquée par la Compagnie l'Alliance pour produire de l'hydrogène par électrolyse ou pour remplacer les piles dans les ateliers Christofle de galvanoplastie. Elle est utilisée pour alimenter les lampes à arc de plusieurs phares sur la Manche et la Méditerranée. Mais cette technologie lourde, délicate et coûteuse, n'est pas adoptée aux Etats-Unis.

Fig. 13. Une machine de la compagnie l'Alliance alimentant une lampe à arc.
Huit rangées d'aimants en U, fixes, sont disposées en étoile. La partie tournante est constituée de cinq disques, d'axe horizontal, portant chacun 16 bobines. Elle est entrainée par une machine à vapeur, au moyen d'une courroie de transmission (à droite).
[Figuier, Les merveilles de la science, t. 1, 1867]

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Le courant alternatif se révèle plus approprié que le courant continu pour l'éclairage à arc. Il provoque en effet une usure égale des deux charbons, ce qui facilite la conception des régulateurs. L'Alliance commercialise des machines à courant alternatif, sans commutateur.

Plusieurs physiciens étudient les tensions et les courants fournis par les machines magnéto-électriques. Pour l'éclairage à arc, les bobines sont reliées en série afin de fournir une tension élevée (équivalant à plusieurs dizaines de piles Bunsen en série). Pour la galvanoplastie qui nécessite des intensités importantes et des tensions beaucoup plus modestes, les bobines sont associées en parallèle. Pour les phares, des comparaisons du rapport coût-luminosité sont faites entre les lampes à huile et les lampes à arc, et entre un arc alimenté par des piles ou par une magnéto. Mais les résultats restent discutés. En tout état de cause, la diffusion de ces pesantes "magnétos" reste limitée.

"Le moteur électrique ne rivalisera jamais avec la vapeur..."

[Voir la vidéo Le moteur électrique, un cul-de-sac technique ? ]

C'est la réalisation, au début des années 1830, par le physicien américain Joseph Henry d'électroaimants capables de soulever des centaines de kilos qui attire les inventeurs vers l'idée d'un moteur électrique. Sous l'influence du modèle dominant de la machine à vapeur, les premiers moteurs électriques reproduisent le mouvement de va-et-vient du piston d'une machine à vapeur avec un aimant successivement attiré et repoussé par une bobine. Un système bielle-manivelle transforme ensuite ce mouvement alternatif en un mouvement de rotation (fig. 14) [Voir le moteur de Luigi Magrini dans la vidéo Electric motor sur le site du Museo Galileo de Florence].

Mais plusieurs inventeurs s'affranchissent de ce modèle en obtenant directement un mouvement de rotation. Ainsi Moritz von Jacobi fait en 1838, à St Petersbourg, une démonstration spectaculaire de son moteur rotatif (fig. 15). Ce moteur entraîne à près de 4 km/h, sur la Neva, une barque chargée de 12 passagers... et de 128 lourds éléments de pile. Mais les gaz suffocants produits par les piles Bunsen incommodent les spectateurs jusque sur les rives et la puissance du moteur ne dépasse pas celle d'une actuelle perceuse de bricoleur. Jacobi en conclut que le moteur électrique ne rivalisera jamais avec la vapeur.

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  Fig. 14. Un moteur de l'américain Charles G. Page reproduisant le mouvement oscillant d'une machine à vapeur.
[American Journal of Science, 1838]

            Fig. 15.  Le moteur électrique rotatif de Jacobi (1839)       
La partie mobile, en étoile à six branches, porte des électroaimants droits. Grâce à un système commutateur (C) qui règle le sens des courants, ces aimants sont successivement attirés et repoussés par les électroaimants en fer à cheval disposés sur les deux supports latéraux.
[Figuier, Nouvelles conquêtes de la science].

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Pourtant, quelques réalisations font sortir le moteur électrique du statut de simple appareil de démonstration ou "jouet philosophique".

Aux Etats-Unis, Thomas Davenport et Charles Page construisent des moteurs qui servent à percer les métaux, tourner le bois, actionner des scies ou des pompes. En France, le constructeur d'instruments Gustave Froment explore toutes sortes de dispositions avec des aimants et des bobines. Son petit moteur à mouvement alternatif (1844) ou son moteur à rotation directe (1845) actionnant une pompe à eau miniature sont destinés à l'enseignement de l'électricité. Froment construit ensuite plusieurs modèles destinés à des usages pratiques comme le remontage de mécanismes d'horlogerie. Le plus célèbre est un grand "électro-moteur" vertical (fig. 16), alimenté par des piles, qu'il installe dans ses ateliers pour actionner automatiquement, pendant la nuit, une machine de précision destinée à la gravure sur métaux.

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Fig. 16. Le grand moteur électrique de Froment
[Exposition permanente du Musée des arts et métiers]

Il reste que ces moteurs ne paraissent pas avoir alors d'autres applications possibles que le travail de précision ou la réalisation d'objets de luxe. Qu'il s'agisse du grand moteur de Froment ou des multiples autres moteurs conçus jusqu'au milieu des années 1850 par divers constructeurs, ces machines pesant des centaines de kilogrammes fournissent des puissances très faibles, inférieures à un cheval-vapeur (quelques centaines de watts).

Enfin, et c'est la raison principale de leur manque d'avenir, le coût de l'énergie mécanique produite par ces moteurs reste très élevé. Antoine-César Becquerel et son fils Edmond le soulignent explicitement en 1858 dans leur Résumé de l'histoire de l'électricité et du magnétisme :

"si l'on est parvenu à obtenir des machines très-curieuses, on ne doit les considérer encore que comme machines d'essai, car la dépense de l'électricité pour obtenir une quantité de travail déterminée est bien supérieure à celle qui est nécessaire en employant les moteurs à vapeur. [...] les électro-moteurs actuels, même dans les meilleures conditions, usent au moins autant de zinc dans la pile qu'une machine à vapeur consomme de charbon pour obtenir la même force mécanique, c'est-à-dire exigent un minimum de deux kilogrammes de zinc par cheval et par heure. Si l'on joint à cette dépense celle des acides correspondants, on voit que le prix de revient de l'effet utile des moteurs électriques est bien supérieur à celui des autres moteurs."

Exposés en nombre à l'Exposition universelle de 1855, les moteurs électriques sont très rares à l'Exposition de 1867. Le rêve "si longtemps caressé par une nuée d'inventeurs" s'est évanoui. Encore en 1868, quelques années seulement avant la mise au point de la dynamo, Jean-Baptiste Dumas peut affirmer avec raison dans son éloge de Faraday :

"Dans l'état actuel de la science, il est aussi peu logique de chercher à convertir l'électricité en force mécanique, qu'il le serait de chercher à convertir le diamant en charbon. Mieux vaut faire l'inverse."

En 1858, les Becquerel ajoutaient cependant que la science n'a peut-être pas dit son dernier mot :

"L'électricité ayant déjà réalisé tant de merveilles, on ne peut dire a priori que la construction d'électro-moteurs puissants et peu coûteux soit impossible ; il faudrait néanmoins, pour que l'on puisse espérer résoudre cette question, connaître d'autres sources d'électricité que celles que l'on emploie aujourd'hui."

De fait c'est la mise au point d'un nouveau générateur d'électricité capable de concurrencer les piles et les accumulateurs, à savoir la dynamo, qui va relancer la quête du moteur électrique et le faire sortir de ses applications marginales, ou purement démonstratives. C'est seulement avec la réversibilité de la dynamo (fonctionnant en moteur aussi bien qu'en générateur), avec le transport de l'électricité à distance en continu puis en alternatif grâce au transformateur, et avec des réseaux de distribution mis en place par de nouvelles entreprises encouragées par les pouvoirs politiques locaux et nationaux que l'électricité devient compétitive avec la vapeur. [Voir la page L’avènement de la fée électricité... II - Le système électrique parvient à maturité].

Pour en savoir plus

FIGUIER, Louis. Les merveilles de la science,
   t. 1 [...machine électrique, paratonnerres, pile de Volta, électro-magnétisme], Paris, 1867. [Lire sur Gallica]
   t. 2 [...télégraphie électrique et sous-marine, galvanoplastie, moteur électrique]. Paris, 1868. [Lire sur Gallica]
   t. 4 [éclairage... , phares,...], Paris, 1870. [Lire sur Gallica]
FIGUIER, Louis. Les nouvelles conquêtes de la science. L'électricité, Paris, 1884. [Lire sur Gallica]
ALGLAVE, Emile ; BOULARD, J. La lumière électrique : son histoire, sa production et son emploi dans l'éclairage public, Paris, 1882. [Lire sur Internet Archive]
MONCEL, Théodose du. GÉRALDY, Frank. L'Electricité comme force motrice, Paris, 1884. [Lire sur Internet Archive]

DAUMAS, Maurice (ed.). Histoire générale des techniques, t. 3 et 4, Paris, PUF, 2ème ed., 1996.
KING, James W., The Development of Electrical Technology in the 19th Century, Bulletin 228, United States National Museum, Contribution from the Museum of history and technology, Papers 19-30 on Science and Technology, 1963, p. 233-271, 334-406, 415-418. [Voir le PDF]
SCHIFFER, Michael. Power Stuggles: Scientific Authority and the Creation of Practical Electricity Before Edison, Cambridge : MIT Press, 2008.
BLONDEL Christine, La reconnaissance de l'électricité médicale..., Annales historiques de l'électricité, 10, 2010, p. 37-51. [Voir le PDF]

Une bibliographie de "sources secondaires" sur l'histoire de l'électricité.



Mise en ligne : janvier 2011 (dernière révision : mai 2012)