Le blog d'histoire des sciences

L'exposition Internationale d’électricité de 1881, à Paris.

par Gérard Borvon

Sur le plan théorique, la découverte de la pile électrique en 1800, puis de l'électrolyse, a eu pour premier effet la découverte de nouveaux corps simples et de rapides progrès dans la compréhension des réactions chimiques.

Sur le plan technique les retombées immédiates ont été plus modestes et se sont cantonnées essentiellement au dépôt d'or, d'argent, de cuivre ou d'un autre métal par électrolyse. Les orfèvres ont été les premiers utilisateurs du procédé. Plus tard la galvanoplastie deviendra une activité industrielle.

Un nouveau pas est franchi en 1820 avec la découverte de l'action magnétique des courants électriques par Oersted et son application aux électroaimants avec Ampère et Arago. Cette fois les retombées techniques sont rapides et d'une extrême importance.

Un exemple : des piles et des électroaimants suffisent à imaginer le télégraphe. La première liaison télégraphique deviendra possible quand son alphabet aura été établi par Morse. Elle est réalisée en 1844 entre Washington et Baltimore. Bientôt les lignes télégraphiques doubleront les voies de chemin de fer et traverseront les océans.

La confection et la pose des câbles télégraphiques devient une industrie qui, à son tour, réclame l'aide des "savants" pour l'étude de la résistance électrique des métaux, celle des isolants, celle de la propagation des signaux. Ou encore pour la mise au point de standards internationaux. Nous en reparlerons.

L'époque des génératrices électriques.

La découverte des courants induits par Faraday en 1831 ouvre des perspectives industrielles encore plus ambitieuses. Déjà la roue de Barlow était une première approche d'un moteur électrique. Mais pour actionner des moteurs d'une puissance respectable il fallait des puissances électriques que les piles n'étaient pas à même de fournir. Les premières génératrices issues des découvertes de Faraday vinrent répondre à cette demande.

On cite généralement la machine inventée en 1832 par Antoine Hippolyte Pixii comme la première génératrice à courant continu. Un aimant permanent tourne devant les deux pôles d'une bobine enroulée autour d'une armature de fer doux repliée en U. Un courant est créé dans la bobine à chaque passage des pôles de l'aimant devant ses propres pôles. Un problème cependant : ce courant est alternatif, son sens changeant suivant que les pôles de l'aimant s'approchent ou s'éloignent de la bobine. Toute l'astuce de Pixii tient à l'idée d'un "commutateur" relié à la bobine et monté sur l'axe de rotation de l'aimant (on dira par la suite un "collecteur"), permettant d'inverser le sens du courant dans le circuit récepteur extérieur à chaque tour de l'aimant. Ainsi la génératrice produit un courant circulant toujours dans le même sens.

La machine de Clarke est construite sur le principe inverse : ce sont les bobines qui tournent devant un aimant permanent. La machine de la "Compagnie de l'Alliance" constituera une application industrielle de ce principe. Quatre séries de bobines portées par un rotor de bronze tournent devant huit rangées d'aimants permanents. Cette machine, dont le rotor est actionné par une machine à vapeur, sera utilisée pour l'éclairage des phares.

La machine de l'Alliance montre, déjà, à quelle vitesse les industriels sont capables de passer d'un prototype léger à une machine aussi puissante que robuste. L'industrie électrique profite de toutes les techniques de la "révolution industrielle" de ce 19^ème siècle qui a déjà commencé à transformer la planète par la maîtrise du charbon, de la vapeur, de la fonte et de l'acier.

La prochaine étape vers l'amélioration de ces machines consistera à remplacer les aimants permanents par des électroaimants. Les machines "dynamoélectriques" remplacent les machines "magnétoélectriques". Nous arrivons ainsi à l'une des plus célèbres parmi les premières d'entre elles : la machine Gramme.

Né en Belgique, Zénobe Gramme (1826-1901), est un ancien ouvrier de la Compagnie de l'Alliance. Autodidacte il met au point une série de génératrices dont la série commence par un simple "anneau" tournant dans le champ d'un électroaimant et se poursuit par de solides et puissantes machines adaptées aux différents usages de l'industrie électrique naissante : éclairage, force motrice….

Machine Gramme à courant continu

         Nous ne détaillerons pas les différentes étapes des travaux de Gramme. Disons cependant que, après Ruhmkorff (1864) et Bell (1880), il se voit attribuer, en 1888, le prix Volta de 50 000 francs par l'Académie des Sciences. Signe de l'importance accordée par les scientifiques aux découvertes de ce technicien.

         Avec l'électromagnétisme les sciences et les techniques sont intimement liées. Une expérience de laboratoire débouche rapidement sur son développement technique, une innovation technique ouvre de nouvelles voies de réflexion ou permet la vérification d'une théorie en attente de validation.

         Un évènement a particulièrement illustré cette rencontre entre sciences et techniques, entre savants et ingénieurs : l'exposition internationale d'électricité de 1881.

L'Exposition Internationale d'Electricité de 1881 à Paris.

         Les expositions internationales constituent ces grands rendez-vous du 19_ème siècle entre les états du monde "développé". Chacun y expose sa puissance technique et économique dans une rivalité qui s'affirme vouloir n'être que "pacifique".

         L'électricité y prend naturellement toute sa place. C'est le cas à Londres en 1862, à Paris en 1867 et 1878, à Vienne en 1875 et à Philadelphie en 1876. Mais l'exposition de 1881, à Paris, est une innovation. C'est la première fois qu'une exposition internationale est entièrement consacrée à l'électricité et à ses applications. Cette rencontre prendra une importance particulière avec l'organisation, pendant l'exposition, du premier congrès international des électriciens.

Vue d'ensemble de l'Exposition Internationale d'Electricité.1881.

750 000 personnes visiteront l'exposition entre le 11 août et le 20 novembre. Dès l'entrée dans le Palais des Champs-Élysées le spectacle est grandiose. Au milieu du rez-de-chaussée, un phare électrique, modèle de ceux qui doivent être installés sur les côtes, éclaire la salle de ses feux tournants de différentes couleurs. Ce phare symbolise à lui seul deux des grandes affaires de cette exposition : l'éclairage et l'utilisation des génératrices électriques de forte puissance.

Proposons-nous un tour de l'exposition en visitant successivement ses principaux centres d'intérêt :

- la communication par signaux électriques.

- les piles et accumulateurs électriques.

- l'éclairage électrique.

- la production d'électricité par les génératrices.

- les moteurs électriques.

Télégraphe et téléphone :

         Le télégraphe occupe nécessairement une place importante dans cette exposition. C'est en 1838 que Samuel Morse a fait breveter, en même temps que son alphabet, l'emploi des électro-aimants associés à un système de levier émetteur et de récepteur enregistreur. L'interruption du courant dans le circuit émetteur, alimenté par une source de tension continue, produit un courant induit de rupture dans la bobine émettrice. Ce courant, à son tour, actionne un électroaimant récepteur et le levier inscripteur qui lui est associé.

Depuis cette date le télégraphe  a déjà fait le tour du monde et il s'est amélioré. Le télégraphe à cadran en usage dans les chemins de fer se lit sur des cadrans portant les lettres de l'alphabet. Le télégraphe imprimeur de Hughes utilise un clavier du type de celui de nos actuelles machines à écrire. Le système Wheatstone utilise des bandes perforées. Le système Baudot est un concentré d'ingéniosité. Il permet d'expédier, ensemble, plusieurs signaux qui, de plus, sont imprimés à l'arrivée. Avec le procédé duplex d'Edison les messages peuvent se croiser sur la même ligne.

Station télégraphique utilisant le télégraphe Baudot. Paris 1881.

Mais l'attraction vedette de l'exposition est le téléphone.

         L'appareil avait déjà été présenté en 1876 à l'exposition de Philadelphie. Tel que décrit par Louis Figuier il est d'une extrême simplicité :

         "Le téléphone se compose surtout d'un aimant, aux pôles duquel sont fixées deux petites bobines de fil isolé. Des courants d'induction peuvent s'établir dans les fils de ces bobines par l'action de l'aimant. En face des pôles de l'aimant est tendu un disque de tôle très mince, qui porte en son centre une petite tige en fer doux, qui oscille devant l'écran, quand la plaque de tôle est en état de vibration. Une espèce d'entonnoir est destiné à faire converger les sons vers la plaque vibrante.

         Quand la plaque se met à vibrer sous l'influence de la voix humaine, la petite tige que porte cette plaque avance ou recule, et aussitôt des courants magnétoélectriques s'établissent dans les fils des bobines qui environnent l'aimant, et ces oscillations répondent exactement à celles de l'air qui sont produites par la voix. Les bobines sont reliées au fil télégraphique électrique, lequel peut avoir une longueur quelconque pourvu que son isolement soit parfait. Les ondulations magnétoélectriques se propagent dans toute la ligne, et à la station d'arrivée, traversent les bobines de l'aimant qui est identique par sa construction avec celui qui se trouve à la station opposée ; les ondulations magnétoélectriques sont, à leur tour, converties en ondulations sonores par la plaque vibrante du récepteur de cet instrument".

En 1877,  l'Américain Graham Bell stupéfiait ses invités en établissant une conversation entre les villes de Boston et Malden distantes de 9 kilomètres en utilisant les lignes télégraphiques existant entre ces deux villes. Mieux, un pianiste joue de son instrument à Malden, une cantatrice y chante un air à la mode. Ce concert improvisé fait sensation quand il est entendu à Boston.

Bell multiplie les démonstrations. La revue La Nature du deuxième semestre de 1877 décrit une transmission entre Boston et North-Conway, villes distantes de 230 km. La conversation est parfaitement nette malgré une résistance de la ligne télégraphique estimée à 40 000 ohms.

A l'écoute du téléphone Bell.

Le téléphone de Bell et ses variantes, tel celui de Edison, se répandent avec une extrême rapidité. La raison essentielle en est la densité du réseau de lignes télégraphiques déjà existantes. Elles sont utilisées par le téléphone qui a d'ailleurs souvent  été désigné comme un "télégraphe parlant".

Le problème est cependant celui de la résistance électrique de ces lignes et la faible intensité du signal émis. Les cinq ans qui séparent la découverte de l'exposition de 1881 ont été mis à profit par Bell lui-même et par d'autres ingénieux techniciens pour trouver des solutions.

Un premier "amplificateur" est utilisé au niveau de l'émetteur. Celui-ci devient un "microphone" capable de transmettre au loin les sons les plus faibles. Sa réalisation met en œuvre une propriété du graphite dont la découverte est attribuée à l'Américain David Hughes. Un bâton de graphite présente une résistance qui varie en fonction de la pression exercée entre ses extrémités taillées en pointe. L'une des pointes étant appuyée sur la membrane, une simple vibration produit une variation de la résistance de la tige. Celle-ci étant conductrice peut être reliée à la ligne de transmission par l'intermédiaire d'une pile. L'intensité du courant débité par la pile variera donc au gré des vibrations et son intensité sera bien plus forte que celle du faible courant produit dans la bobine inductrice initialement proposée par Bell.

Dès lors la résistance des fils de la ligne télégraphique n'est plus un problème. Plusieurs microphones sont ainsi présentés à l'exposition dont celui construit par Darsonval et Paul Bert qui comporte une série de tubes de graphite soumis à une pression réglable.

Téléphone à tiges de graphite de Darsonval et Paul Bert

Un autre procédé utilisant des pastilles de poudre de graphite comprimée a été développé par Thomas Edison déjà renommé pour être le constructeur du premier phonographe. Le génial inventeur américain, qui n'a encore que 34 ans au moment de l'exposition, est déjà l'un des plus actifs dans le domaine de la télégraphie. Il est tout naturellement concerné par la téléphonie dans laquelle il se révèle un concurrent redoutable pour Bell.

A Paris, en 1881, le Ministère des Postes et Télégraphes a confié la mise en scène de la téléphonie à la Société Générale des Téléphones de l'ingénieur Bréguet utilisant le système de Clément Ader, le futur constructeur du premier avion.

Pour le chroniqueur scientifique Louis Figuier : "Cette application si nouvelle et si extraordinaire du téléphone, consistant à faire entendre  à distance des sons musicaux et autres, a été la surprise, la merveille, le grand évènement de l'Exposition de 1881 pour le public, et l'on peut ajouter, pour les savants eux-mêmes." (L'année Scientifique et Industrielle – 1878)

C'est une foule qui se précipite tous les soirs dans les quatre salles destinées aux démonstrations du téléphone. Il faut attendre souvent plusieurs heures avant d'entrer, par groupes de vingt, dans une salle dont les murs sont tapissés de tapis d'Orient et le sol recouvert d'un épais tapis. Là,  chacun peut écouter pendant 5 minutes les airs qui se chantent ou se jouent à l'Opéra relié à la salle par une ligne traversant les égouts.

L'accueil est enthousiaste : " Il faut avoir entendu dans les téléphones de l'Exposition d'Electricité, pour se rendre exactement compte de la délicatesse avec laquelle les sons se trouvent transmis. Non seulement on entend les artistes, mais on reconnaît leur voix, on distingue les murmures du public dans la salle, on perçoit ses applaudissements". (La Nature septembre 1881).

Salle de réception du "théatrophone"

         Il faut ajouter que le système, désigné sous le nom de "théatrophone", fonctionne en stéréophonie. Devant la scène de l'opéra des "transmetteurs" (larges plaques posées sur des tiges de graphite), sont disposés de chaque côté de la loge du souffleur. Chaque série est reliée à l'un des deux écouteurs dont dispose l'auditeur restituant ainsi le "relief" du son.

         Si le téléphone est une révélation pour la majorité des visiteurs, ce n'est pourtant pas une nouveauté à Paris. Il y existe un réseau dont ses promoteurs n'hésitent pas à affirmer qu'il est "le plus parfait de ceux fonctionnant aujourd'hui, tant en Europe qu'aux Etats-Unis" (revue "La Nature" premier semestre 1882). Depuis 1879 l'administration des Postes et Télégraphe a cédé l'installation du téléphone aux sociétés privées. A Paris, la "Société Générale des Téléphones" naît en 1880 de la fusion de deux sociétés préexistantes. Début 1881 elle compte 7 bureaux centraux et 300 lignes installées dans la capitale. Fin 1881, les démonstrations réalisées lors de l'Exposition Internationale font exploser les demandes d'abonnement.

Bureau central téléphonique. Avenue de l'Opéra. Paris.1881.

La société continue à se développer dans la France entière jusqu'en 1889, année où l'Assemblée Nationale décide de faire du téléphone un service public et de rattacher sa gestion au ministère des postes et télégraphes qui devient ainsi le ministère des P.T.T  (Poste, Télégraphe et Téléphone). Il vivra un siècle jusqu'à la loi de 1990 qui privatise les télécommunications en France.

A l'Exposition Internationale, les visiteurs n'on vu que le spectacle mais, tant pour le télégraphe que pour le téléphone, le technicien était plus intéressé par ce qui se passait dans les coulisses.

Toute installation demande une source de courant continu c'est-à-dire des piles ou, mieux, des "piles secondaires" c'est-à-dire des accumulateurs. Le développement du télégraphe et du téléphone fait de la construction des piles et accumulateurs une affaire industrielle.

Les sources de courant continu : les piles et accumulateurs.

         Côté piles, de sérieux progrès avaient été réalisés. La première pile volta présentait l'inconvénient de se "polariser" : les réactions chimiques à ses électrodes faisaient rapidement chuter sa tension. La pile Daniell, impolarisable était déjà un progrès mais sa forte résistance ne pouvait en faire un générateur utilisable dans la pratique. Les piles à "dépolarisant" répondaient enfin au problème.

Celle imaginée par Georges Leclanché est l'une des plus utilisées. En 1867, alors exilé en Belgique pour ses opinions républicaines, il dépose un brevet pour une pile dont l'électrolyte était une solution de chlorure d'ammonium et le pôle positif une plaque de charbon recouverte sur chaque face d'une couche de peroxyde de manganèse, l'ensemble étant contenu dans un vase poreux plongeant dans un deuxième vase contenant la même solution et une tige de zinc constituant le pôle négatif.

Elle sera massivement utilisée sur les télégraphes belges et néerlandais. De retour en France, Leclanché confie l'exploitation de son brevet à l'industriel Barbier. La pile Leclanché-Barbier est alors largement utilisée dans les télégraphes français. En 1881 l'usine, qui emploie 50 ouvriers, a vendu près de 300 000 piles. Après la mort prématurée de Leclanché en 1882 à l'âge de 43 ans, la pile sera encore perfectionnée par son fils Max pour être rendue facilement transportable. Sous différentes marques commerciales, elle est encore largement utilisée aujourd'hui.

Mais les piles ont de sérieuses concurrentes : les "piles secondaires" ou accumulateurs. L'idée est de Gaston Planté. En 1860 il rédige un mémoire qui est lu à l'Académie des Sciences dans lequel il décrit les propriétés d'un dispositif qu'il désigne comme une "pile secondaire".

L'électrolyse d'une solution d'acide sulfurique entre deux plaques de plomb oxyde la plaque reliée au pôle positif. Il se crée ainsi une dissymétrie entre les deux électrodes. En reliant les deux plaques ainsi "polarisées", Planté constate qu'un courant électrique circule dans le circuit et se maintient jusqu'au retour des plaques à l'état initial. Il a ainsi l'idée de "piles secondaires" qui seront ensuite désignées par le terme d'accumulateurs.  Concrètement cet accumulateur consiste en deux plaques de plomb parallèles enroulées en spirale et maintenues écartées par deux rubans de caoutchouc enroulés en même temps que les plaques. L'ensemble est placé dans un récipient de verre cylindrique empli d'une solution d'acide sulfurique.

En 1873 Planté présentait une expérience dont la mise en scène annonçait déjà les progrès à venir de l'industrie électrique.

Une des premières machines Gramme, utilisée en génératrice et actionnée par la force motrice mécanique de l'expérimentateur, fournissait un courant qui produisait la charge, par électrolyse, de l'élément Planté.

Si, après avoir ainsi chargé l'accumulateur on lâchait la manivelle, la machine Gramme se remettait en marche sous l'action du courant issu de celui-ci. L'auteur de l'article relatant cette expérience (La Nature – avril 80) y voyait l'une des "plus belles démonstrations de l'unité des forces physiques et de leur transformation mutuelle".

Progressivement se construisait la notion d'une "énergie" se présentant sous des formes diverses, mécanique, électrique, chimique et capable de se transformer de l'une en l'autre.

Machine Gramme chargeant un accumulateur Planté.

Pour communiquer à ces "accumulateurs" d'électricité une charge suffisante, il fallait les charger et décharger plusieurs fois, ce qui revenait à augmenter la couche d'oxyde sur l'anode. Pour supprimer cette première phase, l'accumulateur "Planté" est aujourd'hui constitué d'un pôle positif de plomb recouvert d'une couche d'oxyde de plomb PbO₂, son pôle négatif étant de plomb. La tension aux bornes de chaque élément est de l'ordre de 2 volts. Leur disposition en batterie permet d'obtenir des tensions élevées et une faible résistance ce qui en fait des sources produisant, pendant plusieurs heures, des courants de forte intensité.

L'accumulateur au plomb, trop lourd, a été décrié par certains auteurs au profit d'accumulateurs au zinc plus légers. Pourtant le plomb n'a toujours pas trouvé de véritable concurrent pour les accumulateurs d'usage courant.

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Cet article fait partie d'un ouvrage à paraître chez Vuibert en juin 2009.