@. Ampère et l'histoire de l'électricité |
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Parcours historique > De Faraday à l'Exposition de 1900 | ||||||||||||||||||||||||||
L'avènement de la fée électricité, 1870-1900
Par Christine Blondel et Bertrand Wolff La réversibilité de la dynamoAprès l'éclairage, la grande application de l'électricité fut l'introduction des moteurs électriques dans les transports puis dans l'industrie. Le fait que la dynamo peut fonctionner aussi bien en moteur qu'en générateur est souvent présenté comme le fruit du hasard d'un branchement, réalisé par un ouvrier à l'Exposition universelle de Vienne en 1873. En fait cette réversibilité se trouve déjà présente dans les machines magnéto-électriques et les moteurs à électroaimants des années 1840-1860. Elle est mise en évidence dans la machine de Pacinotti. Elle est même connue, du moins théoriquement, depuis les expériences de Faraday montrant qu'un disque placé dans l'entrefer d'un aimant crée un courant si on le fait tourner et tourne s'il est parcouru par un courant [Voir la vidéo De la boussole d'Arago au freinage du TGV et Produire du mouvement avec un courant électrique ? ]. Mais à l'Exposition de Vienne, Hippolyte Fontaine, l'ingénieur de la société Gramme, montre cette réversibilité de manière très spectaculaire : une dynamo génératrice est reliée par quelques centaines de mètres de câble à une dynamo identique qui fonctionne en moteur et entraîne une pompe faisant remonter l'eau d'une cascade.
Les nouveaux moteurs électriques à rotor de dynamoJusqu'à la mise au point des dynamos, les moteurs électriques fondés sur des attractions entre aimants permanents et électroaimants sont restés d'un usage très limité [Voir la page Les usages variés, mais limités, de l'électricité avant la dynamo et les usines électriques]. Les induits en tambour des machines Siemens ou à anneau des machines Gramme ont montré tout l'intérêt de concentrer le champ magnétique inducteur dans l'espace où tourne le bobinage induit, appelé ultérieurement rotor. Ceci permet déjà de rentabiliser l'alimentation d'un moteur, du moins un petit moteur, par une pile. Ainsi, dans le moteur de Marcel Deprez, une bobine Siemens est soumise à l'action d'un aimant permanent en fer à cheval. Ce moteur très simple pèse seulement 4 kg et actionne, dans quelques ateliers, des machines à coudre. Un autre inventeur et constructeur français, Gustave Trouvé, place la bobine Siemens entre les pièces polaires d'un électroaimant. Avec ses moteurs, Trouvé équipe non seulement des machines à coudre mais aussi, de façon expérimentale, un vélocipède en 1880, et un canot électrique l'année suivante. Des réalisations analogues voient le jour en Europe ou aux États-Unis, où le moteur Griscom pour machines à coudre, avec son électroaimant annulaire, pèse à peine plus d'un kilogramme et peut tourner à 5000 tr/min (fig. 3). Ces moteurs sont très proches de certains petits moteurs actuels.
D'autre part, la réversibilité des machines électromagnétiques pousse à utiliser la dynamo elle-même comme moteur. Ainsi, dès la fin des années 1870 les sociétés Gramme et Siemens-Halske construisent des moteurs à courant continu, simples variantes de leurs dynamos, d'une puissance de l'ordre de la dizaine de kilowatts. Quelques démonstrations ont fait grand bruit comme le "labourage électrique" réalisé en 1879 avec deux dynamos Gramme faisant tourner à quelques centaines de mètres deux autres machines Gramme réceptrices qui entraînaient une charrue par un système de treuils et de câbles. Ce genre d'expériences se déroule en présence d'ingénieurs qui mesurent les rendements et s'essaient à calculer le coût du recours à l'électricité. Transmettre "la force motrice" à distance par le courant ?De fait l'électricité n'est pas le premier ni le seul moyen envisagé pour transmettre l'énergie à distance. Avec l'essor du machinisme de nombreux inventeurs proposent, à partir des années 1850, diverses solutions mécaniques pour transmettre l'énergie dans les usines ou dans les transports : câbles, air comprimé ou eau sous pression. Mais les applications de ces techniques restent marginales. Lors des premières tentatives de transport d'énergie par l'électricité, le rendement s'effondre rapidement avec la distance, du fait des pertes par échauffement dans les câbles qui conduisent le courant. La constitution de réseaux de transport de l'énergie électrique va nécessiter un grand nombre d'innovations techniques et d'infrastructures radicalement nouvelles. Certes les réseaux télégraphiques témoignaient déjà de la possibilité de transmission à grande distance par l'électricité. Mais les énergies et les courants mis en jeu dans le télégraphe restent faibles. La distinction entre courants forts et courants faibles, caractérisée par la puissance (énergie par unité de temps) délivrée par une pile ou une dynamo et consommée par un moteur, apparaît peu à peu dans le monde des électriciens. Avec le système d'unités adopté lors du congrès international de 1889, la tension U étant mesurée en volts et l'intensité I en ampères, la puissance (P = UI) s'exprime désormais en watts et non plus avec les chevaux-vapeur (736 watts) des mécaniciens [Voir la page La longue histoire des unités électriques]. Dans les années 1880, la puissance des machines électriques va de la dizaine aux centaines de kilowatts (kW), et les intensités atteignent couramment quelques dizaines d'ampères. La question nouvelle est de transporter ces puissances élevées à distance. Jusqu'aux années 1880, les consommateurs d'électricité installations d'éclairage et ateliers assurent leur production de courant sur place. Certes la démonstration d'Hippolyte Fontaine illustre dès 1873 la possibilité d'un "transport de force" avec des tensions et des intensités industrielles. Mais à l'Exposition, on est loin d'un essai en vraie grandeur. Encore en 1879, dans l'expérience de labourage électrique à Sermaize, la distance n'est que de quelques centaines de mètres. Les longues distances semblent inaccessibles : la quasi-totalité de l'énergie serait perdue en ligne sous forme de chaleur, à moins de recourir à des fils de cuivre de très gros diamètre. Le problème est partiellement résolu par Marcel Deprez. Il montre que la transmission peut se faire avec un rendement convenable sur quelques dizaines de kilomètres, même avec du fil télégraphique, à condition d'élever suffisamment la tension à la source. En effet pour une puissance donnée UI à transmettre, plus la tension U est élevée, plus l'intensité I qui circule dans les fils est faible. Or, selon la loi de Joule, les pertes sont proportionnelles au carré de l'intensité (PJ = RI2). Alors qu'à Sermaize, les dynamos Gramme délivraient une tension de l'ordre de la centaine de volts, Deprez va recourir à des tensions beaucoup plus élevées. A l'Exposition d'électricité de Munich en 1882, il fait fonctionner un moteur de pompe à une distance de 57 km avec des dynamos Gramme à courant continu délivrant 2400 V. L'année suivante, il illustre la possibilité de transmettre l'énergie hydraulique : une chute d'eau à Vizillle entraîne une dynamo génératrice et à Grenoble, distante de 14 km, le public voit fonctionner un ensemble de machines-outils et une centaine de lampes.
Fontaine ne croît pas pour autant à l'avenir industriel de ce transport à haute tension. En effet les installations des utilisateurs fonctionnent sous des tensions beaucoup plus faibles. A cela s'ajoute le danger des hautes tensions, mis en évidence par plusieurs accidents lors des essais. De fait, dans les deux décennies qui suivent, les réalisations de transport à grande distance en courant continu restent peu nombreuses. Les débuts de l'électrification dans les transports et les usinesA défaut d'une transmission de puissances élevées sur de grandes distances, le transport de la force motrice sur quelques kilomètres ouvre d'emblée des perspectives nouvelles. Depuis le début de la révolution industrielle, les machines des usines textiles ou métallurgiques sont mises en mouvement par l'intermédiaire de systèmes encombrants, bruyants et dangereux de courroies et de poulies, qui relient ces machines à des machines à vapeur ou à des moteurs à gaz. L'alimentation électrique de chaque machine apparaît très tôt comme une bien meilleure solution mais cela implique des investissements importants, une réorganisation des espaces de travail et des compétences nouvelles. De fait l'électrification des usines ne commence qu'au début du XXe siècle. A côté de ce bouleversement de la grande fabrique, beaucoup espèrent un retour de la production dans le cadre familial, grâce à de petits moteurs électriques utilisés à domicile. L'application la plus immédiate du transport de la force motrice concerne la locomotion sur de courtes distances. Jusque-là les omnibus sur rail ou tramways, plus rapides que les omnibus classiques, sont comme ces derniers tirés par des chevaux. L'électricité, la vapeur, le gaz et l'air comprimé sont sur les rangs pour remplacer l'animal. Le moteur électrique présente sur la locomotive à vapeur les avantages de la légèreté et de la propreté. En 1879, à l'exposition industrielle de Berlin, la firme Siemens et Halske fait rouler à 6 km/h un petit tramway électrique de démonstration. Le tramway Siemens constitue une des attractions majeures de l'Exposition parisienne de 1881 (fig. 5) et, la même année, il est mis en service sur une ligne de 2,5 km à Berlin. La traction électrique est également mise en uvre dans les mines.
Fig. 5. Le tramway Siemens à l'Exposition internationale d'électricité de 1881. [Turgan, les grandes usines de France, 1882] L'alimentation électrique (de l'ordre de 500 V continu) est assurée par un contact glissant le long d'une ligne au sol ou de conducteurs aériens, ce qui nécessite la résolution d'une série de problèmes techniques. C'est aux Etats-Unis que le tramway électrique connaît la diffusion la plus rapide. En 1903 les grandes firmes Edison-Sprague, Thomson-Houston, Westinghouse... ont déjà produit des dizaines de milliers de moteurs pour équiper près de 50 000 km de lignes et 98% du réseau est électrifié. Les lignes sont le plus souvent aériennes, un trolley (chariot) assurant le contact avec la ligne.
"Les" transformateurs avant "le" transformateurLa transmission de l'énergie électrique à grande distance butait sur le fait que le transport doit s'effectuer à une tension élevée pour éviter les pertes, alors que les consommateurs utilisent du courant à basse tension. Il fallait donc trouver le moyen de transformer la haute tension en basse tension. Plusieurs voies sont explorées aussi bien avec les courants continus qu'avec les courants alternatifs, avant que s'impose le transformateur au sens moderne du terme qui agit seulement sur le courant alternatif. Indépendamment de la question du transport de force à grande distance, divers modes de transformation des courants sont expérimentés dès le début des années 1880. Henri de Parville les décrit dans son ouvrage L'électricité et ses applications. Des accumulateurs en série, chargés en haute tension, peuvent fournir des tensions différentes selon la façon dont ils sont ensuite associés. Pour modifier du continu, ou le transformer en courant alternatif, Gustave Cabanellas promeut l'alimentation d'un moteur qui fait tourner une dynamo ou un alternateur. Ce "robinet électrique", appelé aujourd'hui commutatrice, fut ainsi utilisé pour alimenter des bougies Jablochkoff en alternatif. Le rendement de ce système sera amélioré en substituant aux deux machines couplées mécaniquement une machine unique à deux enroulements, à la fois réceptrice et génératrice. Enfin De Parville rappelle la bobine de Ruhmkorff qui transforme la tension fournie par une pile en une haute tension. Des voies diverses sont également explorées pour le circuit de distribution aux usagers : circuits en série, en parallèle, à tension constante ou à courant constant. Ces divers types de "transformateurs", agissant sur du courant continu, ne seront pas éliminés par le développement du transformateur par induction. En effet, dans les années 1890, la plupart des systèmes de distribution, à Paris comme à New York, délivrent du continu et vont donc utiliser des commutatrices pour abaisser à 110 V les 3000 V de leurs lignes. Quant aux accumulateurs de Planté, ils serviront essentiellement à réguler la tension. Plus tard, quand l'alternatif s'impose face au continu, ce sont encore des commutatrices qui assurent la conversion pour alimenter les anciens réseaux en courant continu. Edison ayant d'abord misé sur le continu, il n'est pas étonnant que sa compagnie, la General Electric, devienne un des principaux producteurs de commutatrices. Le "transformateur par induction" de Gaulard et Gibbs.
Fig. 7. Transformateurs par induction. Le transformateur de Gaulard s'appuie sur le phénomène de l'induction [Voir la vidéo Créer de l'électricité à partir du magnétisme ? ] et reprend le principe de la bobine de Ruhmkorff qui comporte une bobine inductrice et une bobine induite enroulées sur un même noyau de fer doux. Depuis le milieu du siècle, la bobine de Ruhmkorff fournissait dans les laboratoires de physique des décharges à haute tension à partir du courant délivré par une pile et interrompu régulièrement par un rupteur [Voir la vidéo Décharges électriques lumineuses... ]. Quelques bobines de Ruhmkoff dépourvues de rupteur et alimentées en alternatif avaient même occasionnellement été utilisées pour fournir du courant alternatif à des systèmes d'éclairage. Aussi Marcel Deprez peut-il proclamer dans La lumière électrique : "leurs générateurs secondaires [de Gaulard et Gibbs] ne présentent donc aucune nouveauté au point de vue scientifique". Le système alternateur-transformateur, un tournant majeurIl y a pourtant bien une nouveauté décisive, mais elle réside avant tout dans la démonstration de la possibilité d'un système industriel de transport et de distribution en courant alternatif pour un grand nombre d'utilisateurs. Le système Gaulard-Gibbs comporte un alternateur principal délivrant une tension alternative de 2000 ou 3000 volts que des "générateurs secondaires" abaissent aux diverses tensions - de la cinquantaine à la centaine de volts - exigées par les utilisateurs. Inauguré pour l'éclairage du métro de Londres en 1883, le système Gaulard-Gibbs démontre publiquement ses performances lors de l'Exposition de Turin de 1884. La haute tension y est transmise sur 40 km et les transformateurs fournissent les tensions appropriées à une centaine de lampes ainsi qu'à un moteur. Malgré le succès de cette démonstration de Turin, Deprez maintient que "les courants alternatifs ne se prêtent nullement au transport de la force [et] ne sont propres qu'à l'éclairage". Quelques années plus tard certains électriciens affirment encore que le problème du transport de la force motrice à distance reste entier. Alors que le succès de Gaulard et Gibbs est salué à l'étranger, serait-ce l'influence, en France, d'une cabale des "continuistes" ? En fait il y a un fondement objectif à l'affirmation de Deprez. Le seul moteur à courant alternatif connu en 1884 - celui que Gaulard fait tourner à Londres et à Turin - est un alternateur fonctionnant en moteur, comme dans les premières expériences sur la réversibilité de la dynamo à courant continu. Dans un tel moteur, dit synchrone, le mouvement du rotor est imposé par celui du générateur : "la vitesse de ce moteur reste fixe, quelle que soit l'intensité du courant qui le traverse" précise Gaulard. Mais un tel moteur ne peut démarrer seul et si un effort trop important lui est demandé, il cale. Il apparaît donc comme impropre à l'usage industriel, et l'avenir de la distribution en alternatif semble bien se limiter pour l'essentiel à l'éclairage. En Italie, le physicien Galileo Ferraris réalise une étude théorique et expérimentale poussée du transformateur. Il lui faut repenser à la fois les outils mathématiques et les méthodes de mesures électriques pour tenir compte des propriétés des courants alternatifs, peu étudiés jusque là. Les ingénieurs qui apportent des améliorations importantes au transformateur de Gaulard et au système de distribution sont associés à de puissantes compagnies qui leur fournissent des ressources industrielles, financières et juridiques : Zipernowski, Déri et Blathy (fig. 7) avec Ganz en Hongrie, Ferranti avec une compagnie d'électricité londonienne, Stanley avec Westinghouse aux Etats-Unis. Ces ressources font défaut à Gaulard qui perd plusieurs procès intentés par ses concurrents, visant à invalider ses brevets. Sa lutte se termine par la maladie mentale et la mort à l'hôpital Saint-Anne en 1888.
Un nouveau type de moteur à courant alternatifLa rapidité de ces succès incite de nombreux inventeurs à s'attaquer à ce qui reste le point faible de la distribution en alternatif, le moteur industriel. En quelques années plusieurs contributions quasi-simultanées dont il est difficile de distinguer les priorités respectives, amènent à un nouveau type de moteur à courant alternatif, le moteur "à champ tournant" ou polyphasé asynchrone. En même temps est conçu un nouveau système de distribution qui va permettre d'exploiter ce moteur dans l'industrie. Lors de son étude du transformateur de Gaulard, le physicien italien Ferraris s'intéresse au fait que le courant de la bobine primaire et le courant de la bobine secondaire sont décalés dans le temps, c'est-à-dire déphasés, d'un quart de période. Il imagine de créer avec ces deux courants déphasés un "champ tournant" qui mette en mouvement, par induction, un cylindre ou un disque (voir l'encadré sur le principe du champ tournant). Dans le prototype de moteur que présente Ferraris en 1888, sans déposer de brevet, le rotor est entraîné par un système d'électroaimants analogue à celui représenté figure 9.
La possibilité de créer un champ tournant avec des courants alternatifs déphasés avait été étudiée par les physiciens Deprez et Walter Baily dans les années 1870, ce qui sera mis en avant lors des querelles de brevets ultérieures, mais ces études étaient restées sans application pratique. De son côté Nikola Tesla, un ingénieur d'origine serbe ayant travaillé en Hongrie pour la firme Ganz, puis à Paris et aux Etats-Unis pour la compagnie Edison, arrive au champ tournant par une voie différente. Cherchant à construire un moteur sans contacts frottants, il utilise les courants diphasés provenant de sections différentes d'un alternateur pour produire le champ tournant capable d'entraîner le rotor (fig. 9). En 1887 et 1888 il dépose une série de brevets concernant des moteurs diphasés puis triphasés. Le courant triphasé, destiné à prévaloir, est la somme de trois courants déphasés l'un par rapport à l'autre d'un tiers de période. Tesla, bénéficiant d'une expérience déjà importante en électricité industrielle, conçoit d'emblée des systèmes complets comportant des alternateurs produisant des courants polyphasés, des transformateurs, des lignes de distribution et des moteurs. La Westinghouse, qui s'était également intéressée au prototype de Ferraris, saura utiliser les brevets de Tesla pour son plus grand profit. Aux Etats-Unis la figure de Tesla devient celle d'un inventeur visionnaire. Le moteur à courants polyphasés est vite perçu comme une innovation majeure. L'innovation essentielle est que le rotor n'est plus alimenté par un courant externe, les courants qui le parcourent étant créés par induction par le stator, d'où l'appellation anglo-saxonne de moteur à induction. Il n'y a donc plus besoin des balais et commutateurs qui provoquaient étincelles et frottements dans les moteurs alternatifs ou continus antérieurs. A la différence du moteur synchrone, le nouveau moteur dit "asynchrone" est d'une très grande souplesse d'utilisation car la vitesse du rotor n'est pas fixée par celle de l'alternateur et varie selon l'effort fourni. Ce moteur exerce un couple élevé au démarrage et une surcharge, qui aurait provoqué l'arrêt immédiat d'un moteur synchrone, produit un simple ralentissement. De nombreux physiciens, ingénieurs et techniciens contribuent à son perfectionnement. Ainsi Dolivo-Dobrovolski, ingénieur chef de la firme allemande AEG, met au point un système complet d'alimentation en triphasé (alternateur-transformateur-moteur), alors que la Westinghouse privilégiait le diphasé, et invente la forme simple et pratique du rotor, en "cage d'écureuil", qui va s'imposer rapidement. La conception des alternateurs destinés à l'alimentation des nouveaux moteurs ne posait pas de problème théorique nouveau car les alternateurs existants produisaient déjà des courants polyphasés. Ainsi les premiers alternateurs de Gramme - ses "machines à division" - en fournissaient-ils déjà, sans qu'on ait songé à en faire une utilisation particulière. Les courants délivrés par chaque "division" du bobinage du stator, destinés à des utilisations indépendantes, étaient en effet déphasés. Cependant les alternateurs destinés aux nouveaux réseaux de transport de force diffèrent de ces premiers modèles par le haut niveau technologique atteint. Les ingénieurs électriciens s'appuient sur les progrès récents de la construction mécanique et de la science des matériaux, ainsi que sur les études théoriques des circuits magnétiques. Une "théorie des machines" se met en place. Le triomphe du transport de force en alternatif à l'Exposition de Francfort (1891)
"les courants alternatifs polyphasés permettent seuls de produire simultanément la transmission de l'énergie à grande distance, sa transformation, sa distribution et son application générale à l'éclairage, à la force motrice, ainsi que sa transformation facile en courants continus pour toutes les applications qui exigent exclusivement l'emploi de ces courants." Le continu étant encore indispensable, notamment pour les applications électrochimiques, des machines motrices-génératrices assurent la conversion de l'alternatif triphasé en continu. Partout dans le monde industriel des projets s'inspirent du système exposé par l'industrie germanique à Francfort. Un projet particulièrement impressionnant, dans lequel s'engage la Westinghouse, est celui de la "Cataract Construction Co" pour l'utilisation des chutes du Niagara. La transmission vers la ville de Buffalo - à 32 km - débute en 1896. En 1899, la puissance totale, voisine de 30 000 kW, excède très largement les besoins de Buffalo - éclairage, trams, ascenseurs - et permet de créer un puissant complexe industriel, où l'électrochimie tient la première place, notamment pour la production d'aluminium.
Un système arrivé à maturité... et qui fait rêver
Les principes de fonctionnement des objets techniques de l'électricité industrielle - alternateur, transformateur, moteur triphasé - sont bien établis et certaines de ces machines poursuivront une vie très longue au cours du XXe siècle, tels l'alternateur Brown-Boveri de l'usine textile mulhousienne DMC encore en fonctionnement à la fin des années 1940. Côté public, l'engouement pour l'électricité est allé crescendo. L'Exposition internationale d'électricité avait attiré en 1880 à Paris 900 000 visiteurs venus admirer les premiers éclairages à incandescence. L'Exposition universelle de 1900, avec 50 millions de visiteurs, marque le triomphe de la Fée électricité qui non seulement anime des fontaines multicolores mais fait tourner toutes sortes de machines et promet une énergie propre, libératrice et accessible à chacun (fig. 12). Il existe bien quelques bémols à cet enthousiasme dans la littérature. Dans La vie électrique Albert Robida décrit un futur XXe siècle où l'électricité permet aussi bien la maîtrise du climat que l'enseignement à distance par le "téléphonoscope", mais où les accidents jettent quelques doutes sur le caractère radieux du futur annoncé. Un célèbre dessin du journal satirique anglais Punch reste dans l'expectative : le roi Vapeur demande au noir Roi Charbon : "Jusqu'où va-t-il grandir ?", en désignant le bébé ÉLECTRICITÉ.
Pour en savoir plusFIGUIER, Louis. Les nouvelles conquêtes de la science. L'électricité, Paris, 1884 [Lire sur Gallica]. BELTRAN, Alain. CARRÉ, Patrice A., La fée et la servante, Paris : Belin, 1991. Une bibliographie de "sources secondaires" sur l'histoire de l'électricité. Mise en ligne : juin 2011 (dernière révision : mai 2012)
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