Le blog d'histoire des sciences

                Nous avons noté le développement du télégraphe et du téléphone comme moteurs de l'industrie des piles et accumulateurs. Le début de l'éclairage électrique par les lampes à incandescence en est un autre tout aussi important.

La lumière électrique.

         "La Lumière Electrique" est le titre de la revue lancée le 15 avril 1879 par "l'Union des syndicats de l'électricité". C'est dire l'importance attribuée à cette nouvelle branche d'activité au moment où s'ouvre l'exposition de 1881.

         La lampe électrique a d'abord été une lampe à arc. Quand on approche, à faible distance, deux charbons soumis à une forte tension, un arc électrique jaillit qui dégage une vive lumière. Pour en faire un usage industriel plusieurs problèmes doivent être résolus.

         Premier problème : les charbons s'usent et l'écart entre les deux augmente jusqu'à ce que l'arc soit interrompu. Des régulateurs sont nécessaires afin de maintenir automatiquement les charbons dans leur position. Foucault, en France, en propose un qui connaîtra le succès. On lui doit aussi le choix de "charbons de cornue" (poudre de charbon issue des usines à gaz et fortement comprimée), bien plus résistants que de simples  tiges de charbon de bois jusqu'à présent utilisées.

         Second problème : la source de tension. Les premières installations utilisent des piles. La première de ce type à Paris est réalisée pour des effets de lumière sur la scène de l'Opéra construit par l'architecte Garnier et inauguré officiellement en 1875. Le sous-sol de l'Opéra abrite 360 piles Bunsen (piles à dépolarisant : Zinc amalgamé-acide sulfurique/charbon de cornue-acide nitrique) assemblées sous forme de six batteries de 60 éléments chacune. Les ouvriers chargés de leur entretien baignent dans une atmosphère acide combattue par les vapeurs d'ammoniac issues de soucoupes réparties dans la pièce.

Salle des batteries de piles Bunsen  dans le sous-sol de l'Opéra à Paris

         Une telle installation n'est à l'évidence pas adaptée à un éclairage à grande échelle. Celui-ci ne se développera qu'avec l'apparition des premières grosses génératrices.

         L'exposition internationale de 1878, à Paris, avait été l'occasion d'une première démonstration. Le 3 mai, vers huit heures du soir, trente deux globes de verre émaillé, placés le long de l'avenue de l'Opéra s'étaient allumés à la fois projetant une clarté douce et blanche que les observateurs comparaient à celle d'un beau clair de lune.

Les plus anciens se souvenaient avoir ressenti le même choc quand, soixante ans plus tôt, les premiers réverbères fonctionnant au gaz d'éclairage avaient été allumés sur la place du Carrousel. Aujourd'hui leur lumière paraissait rougeâtre et fumeuse et les rues proches de l'Opéra, qu'ils éclairaient, semblaient bien sombres comparées à la clarté de l'Avenue voisine. Moderne au début du siècle, l'éclairage au gaz de ville semblait soudain dépassé.

         Les lampes utilisées à Paris étaient équipées de "bougies de Jablochkoff", version récente et commode des lampes à Arc. Jablochkoff, ingénieur d'origine russe a trouvé le dispositif permettant de se passer de régulateur.

Bougie de Jablochkoff

Les deux charbons sont parallèles et portés par un support métallique. Ils sont séparés part un isolant à base de kaolin qui fond dès que l'arc l'atteint. Les deux charbons sont calibrés pour se consumer à la même vitesse : en courant continu, l'un a une section double, en courant alternatif ils sont identiques. Ils sont montés dans des globes de verre translucide afin de diffuser la lumière.

         Chaque bougie peut brûler pendant une heure et demie. Un support porte six bougies qu'un commutateur permet de mettre en œuvre à tour de rôle. Chaque candélabre dispose ainsi, au minimum, de 9 heures d'éclairage.

         Les 46 candélabres installés par la Compagnie Générale d'Electricité dans le quartier de l'Opéra et du Théâtre-Français sont alimentés en courant alternatif au moyen d'un nouveau type de machine Gramme.

         Le même système illumine les quais de la Tamise à Londres.

Eclairage à Londres en 1878

La démonstration réalisée à l'exposition internationale de 1878, porta ses fruits. Des ateliers, plusieurs places ou rues, des gares, l'hippodrome, adoptèrent le procédé. Les grands magasins en particulier y trouvèrent la solution aux incendies qui avaient ravagé plusieurs d'entre eux pour cause d'éclairage au gaz. Les grandes villes d'Europe et d'Amérique suivent le même mouvement.

Notons que le système donne un bon éclairage mais qu'il n'est pas sans danger. Les hautes tensions mises en jeu demandent des câbles bien isolés et des précautions d'usage qui en limitent la généralisation. De plus la lumière est intense et ne s'adapte qu'aux grands espaces. Il est hors de question de l'utiliser, à la place de l'éclairage au gaz, dans les appartements.

L'exposition de 1881 apporte une solution à ce problème de l'éclairage domestique : celle des lampes à incandescence.

Des lampes adaptées à chaque usage, qui peuvent fonctionner pendant plusieurs centaines d'heures, que l'on allume ou que l'on éteint en actionnant un simple commutateur, qui utilisent des tensions relativement basses… que rêver de mieux.

Les lampes Edison, Maxim, Swan … sont une des attractions de l'exposition.

Elles reposent toutes sur le même principe : un filament conducteur en carbone contenu dans une ampoule où on a réalisé le vide. On peut les utiliser isolément ou en équiper des lustres. Elles fonctionnent sous une tension faible (100 ou 50 volts pour les lampes Edison) mais consomment un courant de forte intensité (0,7 ampères pour les lampes Edison).

A : lampe Edison à filament de bambou du Japon carbonisé.

B : Lampe Maxim, carton Bristol carbonisé.

C : Lampe Swan, fil de coton carbonisé

Lustre Swan.

Edison est celui qui réussit le mieux sa publicité. Deux grandes salles lui sont consacrées où il présente l'essentiel de ses inventions : son téléphone et son télégraphe quadruplex qui permet de faire passer plusieurs messages en même temps dans les deux sens, ses lampes à incandescence et les machines qui les alimentent. Il a même l'habileté de faire réaliser sur place la fabrication des lampes à partir de tiges de bambou.

Chaque fabricant de lampes propose un système de distribution complet et, d'abord, les génératrices qui les alimentent.

Les nouvelles génératrices

Celle proposée par Edison doit pouvoir alimenter 1000 lampes c'est-à-dire fournir jusqu'à 700 ampères. Il faut donc limiter tout dégagement de chaleur dans la machine elle-même. Ainsi l'induit central ne sera pas constitué d'un bobinage de fil conducteur mais de barres de cuivre logées dans le noyau de fer doux du rotor et reliées à leurs extrémités par des disques conducteurs. Le noyau de fer doux sera lui-même constitué de disques de tôle de fer,  séparées par des feuilles de papier afin de limiter le dégagement de chaleur lié au phénomène d'hystérésis magnétique. Des innovations techniques encore utilisées aujourd'hui.

Génératrice Edison

                Ce sont les génératrices exposées, celles de Edison mais aussi de Gramme et de tous les autres participants, qui éclairent l'ensemble de l'exposition. Celle-ci apparaît comme une véritable féerie.

L'alimentation des lampes n'est cependant pas le seul usage des génératrices, le temps est venu des moteurs électriques.

La force motrice de l'électricité.

         Les moteurs électriques sont spectaculairement illustrés par leur application à la locomotion. Le premier Tramway électrique fait ainsi son apparition à Paris. Il circule entre la place de la Concorde et le Palais de l'Industrie. Avec le téléphone et les lampes à incandescence c'est la plus belle attraction de l'exposition.

Premier tramway électrique à Paris

Il est dû à Siemens qui en avait déjà présenté une version à l'exposition industrielle de Berlin en 1879. Les 500m de parcours sont réalisés en une minute. Son moteur est une machine Siemens identique à celle produisant du courant dans l'exposition. En effet, toutes ces machines ont la propriété d'être réversibles, tantôt moteur, tantôt génératrice.

         Du plus gros au plus petit : le moteur électrique peut aussi alimenter des machines à coudre, une récente invention fort utile dans laquelle s'est illustré l'Américain Singer.

         Le spécialiste de ces petits moteurs est G. Trouvé. Il en a également équipé un canot électrique dont la démonstration sur la Seine n'était pas passée inaperçue. Mais sa plus spectaculaire réussite est d'avoir équipé un ballon dirigeable miniature que les visiteurs pouvaient voir suspendu aux poutres de l'exposition.

         Long de 3m50, il était gonflé à l'hydrogène. Le moteur et l'accumulateur Planté qui l'alimentaient pesaient moins de 500g. L'hélice tournait à la vitesse de 6,5 tours à la seconde et pouvait propulser le dirigeable à la vitesse de 2m/s.

Après l'exposition de 1881

         Naturellement, le modèle réduit de dirigeable n'avait pas d'autre vocation que d'être un objet d'étude mais il fut fort remarqué et déjà il fit germer des projets.

Le 26 septembre 1884, les frères Tissandier s'élevaient au-dessus de Paris dans un dirigeable muni d'un moteur électrique où ils se livraient à quelques manœuvres puis se laissaient dériver sur un trajet de 25 km. 

Le 9 août 1884 un nouvel aérostat également équipé d'un moteur électrique, construit par les ateliers militaires de Chalais à Meudon, soulevait deux aéronautes et réussissaient une boucle de 7,6 km réalisée en 23 minutes.

1884 : premier vol en boucle d'un dirigeable muni d'un moteur électrique.

         1886 : cinq ans nous séparent de l'exposition universelle d'électricité et seulement deux ans du premier vol réalisé à Meudon. Jules Verne publie "Robur le Conquérant" qui, dans un scénario proche de "Vingt mille lieues sous les mers", met en scène deux membres d'un club aéronautique américain et leur serviteur, enlevés par un étrange et génial ingénieur, nouveau héros des temps modernes, dans un vaisseau du ciel, sorte d'hélicoptère dont la forêt d'hélices était actionnée par des moteurs électriques.

L'albatros de Robur le Conquérant

Jules Verne a-t-il visité l'exposition de 1881 ? Son texte, qui fait preuve d'une solide érudition scientifique, est une parfaite illustration de ce qui y était exposé.  Quand il décrit la machinerie électrique de l'engin volant il exprime, sous forme romanesque, les espoirs attendus de cette nouvelle technique et établit, tout en les imaginant franchis, la liste des obstacles dressés sur la route des savants et ingénieurs avant qu'ils s'en rendent parfaitement maîtres.

         " Ce n'est ni à la vapeur d'eau ou autres liquides, ni à l'air comprimé ou autres gaz élastiques, ni aux mélanges explosifs susceptibles de produire une action mécanique, que Robur a demandé la puissance nécessaire à soutenir et à mouvoir son appareil. C'est à l'électricité, cet agent qui sera, un jour, l'âme du monde industriel. D'ailleurs, nulle machine électromotrice pour le produire. Rien que des piles et des accumulateurs. Seulement, quels sont les éléments qui entrent dans la composition de ces piles, quels acides les mettent en activité ? C'est le secret de Robur. De même pour les accumulateurs. De quelle nature sont leurs lames positives et négatives ? On ne sait. L'ingénieur s'était bien gardé – et pour cause – de prendre un brevet d'invention. En somme, résultat non contestable : des piles d'un rendement extraordinaire, des acides d'une résistance presque absolue à l'évaporation ou à la congélation, des accumulateurs qui laissent très loin les Faure-Sellon-Volckmar, enfin des courants dont les ampères se chiffrent en nombres inconnus jusqu'alors. De là, une puissance en chevaux électriques pour ainsi dire infinie…

         Mais, il faut le répéter, cela appartient en propre à l'ingénieur Robur. Là-dessus il a gardé un secret absolu"

         Trouver ce secret, c'est sans doute le défi que nous lance Jules Verne. Défi relevé un siècle plus tard. C'est à nouveau la recette de piles et d'accumulateurs efficaces susceptibles d'équiper nos véhicules trop polluants, ou d'alimenter les sites isolés, que recherchent nos ingénieurs.

Eclairage, moteurs ne demandent donc qu'à se généraliser à condition que l'électricité puisse être distribuée.

L'électricité à domicile.

         Les fabricants de piles ou d'accumulateurs ont leur idée : distribuer l'électricité à domicile sous forme de  piles ou de batteries préalablement chargées.

         Les fabricants de génératrices ont aussi la leur : transporter l'électricité par fils à partir d'une usine centrale. 

Piles et accumulateurs ont eu, les premiers, leur période de succès. Des immeubles, des grands magasins ont installé dans leur sous-sol des systèmes ingénieux de piles Bunsen dont l'électrode de zinc ne plonge dans l'acide que pendant le temps de fonctionnement. Des piles qui "ne s'usent que si on s'en sert".

Ailleurs des accumulateurs au plomb sont livrés à domicile comme de vulgaires sacs de charbon. Le système ne résiste cependant pas à la livraison de l'électricité par fil. Il faudra attendre la fin du siècle pour que de gros accumulateurs trouvent à nouveau leur usage dans l'alimentation des premières voitures électriques qui apparaissent alors comme les véhicules de l'avenir.

Voiture électrique 1898

         Du côté de l'électricité par fils, plusieurs constructeurs se disputent le marché. Deux conceptions les opposent : courant continu ou courant alternatif ? Le courant continu ne rompt pas avec la tradition des piles et accumulateurs et a ses partisans. Le courant alternatif a un gros mérite : il permet l'utilisation de transformateurs et le transport de l'électricité sous haute tension, ce qui limite les pertes en ligne par effet thermique et permet le transport sur de longues distances.

Progressivement le courant alternatif s'impose et le paysage urbain se modifie. Les murs des immeubles se couvrent des fils du téléphone et de l'alimentation électrique dans un réseau d'autant plus touffu que chaque compagnie a ses propres lignes qui viennent s'ajouter à celles des concurrents.

         Une telle anarchie ne pouvait que provoquer des accidents. En 1889, les lecteurs de la revue La Nature peuvent lire le récit d'un accident effroyable à New-York. Un employé des télégraphes monté réparer une ligne se trouve pris, comme dans une toile d'araignée, dans un réseau alternant fils télégraphiques et fils d'alimentation électrique. Il est littéralement carbonisé devant plusieurs milliers de spectateurs impuissants. L'auteur de l'article signale qu'il ne se passe pas une semaine sans que de tels accidents ne se produisent à New-York. En dix huit mois huit personnes ont ainsi été tuées par des fils tombés à terre et dix sept autres ont été grièvement blessées.

         La solution serait naturellement des fils enterrés. C'est celle qu'impose le conseil municipal de Paris pour l'ensemble des compagnies qui s'activent à éclairer Paris à l'occasion de l'exposition internationale de 1889, celle qui voit se dresser la Tour Eiffel dont le sommet portera deux énormes projecteurs électriques.

Systèmes de câbles électriques souterrains à Paris en 1889

         Ce louable effort initial n'empêchera pas les fils aériens et les pylônes qui les supportent de devenir l'élément de paysage le plus caractéristique du siècle à venir.

Qui dit électricité à la maison dit factures et compteurs électriques. Au mois de juillet 1888, le conseil municipal de Paris vote une somme de  20 000 francs pour ouvrir un concours dont l'objet est la construction d'un compteur électrique. Le compteur devra pouvoir fonctionner à la fois en courant continu et en courant alternatif. Pour le courant alternatif il est précisé que l'appareil devra être du type "watt-heure-mètre", le watt-heure étant devenu une nouvelle unité pratique de mesure de l'énergie électrique.

Le côté sombre de la force électrique.

Janvier 1889 : L'électricité jusqu'à présent utilisée en médecine pour chercher à guérir, voir même ressusciter,  va l'être pour tuer.

A partir de cette date l'état de New-York a décidé de remplacer la mort par pendaison par l'électrocution des condamnés. Les industriels sont invités à proposer le meilleur procédé qui sera évalué par la Société médico–légale de New-York.  Il est indiqué que des tensions de 1000 à 1500 volts doivent être utilisées à des fréquences de 300 périodes par seconde. Le rapport du comité chargé du dossier recommande des "électrodes de 2,5 à 10 cm de diamètre couvertes d'une mince couche d'éponge et de peau de chamois imbibée d'une solution légère de sel commun". Elle précise aussi que le condamné doit être assis.

Le "Scientific Americain" du début de l'année 1889, rend compte des expériences menées en décembre 88 au laboratoire de Edison qui est l'un des inspirateurs de la loi. Celui-ci teste des tensions inférieures à celles proposées. Un veau de 57kg se relève après un choc administré par une tension de 50 volts mais meurt au bout de 8 secondes quand la tension est de 770 volts. Un cheval de 590kg meurt également après avoir été soumis pendant 25 secondes à une tension de 700 volts. On se propose même de tuer, par le même procédé, l'éléphant "Chief", le plus grand de l'état de New–York, qui est devenu dangereux.

Bientôt un condamné doit être exécuté et son avocat proteste contre l'utilisation de la "chaise électrique" estimant que ce moyen amenait une mort lente et douloureuse, ce qui était contraire à la constitution. Edison est formel : il sait par expérience qu'un homme ne peut pas résister à une tension alternative de quelques centaines de volts.

La première exécution est faite le 6 août 1890. Le condamné, William Kemmler, a attendu 14 mois son exécution. La revue La Nature décrit l'installation retenue. C'est une génératrice à courants alternatifs Westinghouse. Edison doit se contenter de voir ses lampes utilisées pour le tableau de commande. Une vingtaine d'entre elles indiqueront par leur éclat que la tension de 1000 volts nécessaire est bien atteinte et s'éteindront au moment de la décharge suivant un scénario qui deviendra classique par la suite.

L'exécution de William Kemmler en 1890

L'exécution se passe mal. Après 17 secondes de passage du courant le condamné émet des râles de souffrance. Il faut remettre la tension. La question se pose : fau-t-il continuer à utiliser ce procédé ?

Le docteur A.P.Southwick, le père de la loi, affirme que Kemmler est mort sans souffrir et défend la méthode. Le fournisseur de la dynamo et la société Westinghouse se défendent : elle a été mal installée. Simplement posée sur le sol, elle vibrait et se déplaçait au point même de risquer de perdre la courroie qui la reliait à la machine à vapeur.

Edison en profite pour se rappeler au bon souvenir des autorités. Il rappelle qu'il est opposé à la peine de mort et que c'est par humanité qu'il a proposé l'usage de l'électricité. Il reproche aux médecins d'avoir fixé les électrodes sur la tête et la colonne vertébrale de façon à s'attaquer au cerveau du condamné alors que dans toutes les morts accidentelles par électrocution, le courant était passé par les mains provoquant l'arrêt cardiaque. Il ajoute d'autre part que si les contacts avaient été bons, une tension plus faible aurait été suffisante car les 1300 volts appliqués auraient dû littéralement carboniser le condamné.

La revue La Nature qui relate l'évènement fait remarquer que la polémique n'est sans doute pas étrangère au fait que Edison préconise la distribution de l'électricité par basse tension alors que Westinghouse préconise les hautes tensions.

La mort par l'électricité aura une longue carrière aux USA, émaillée  des récits horribles de corps torturés. La mort par injection chimique actuellement proposée, à nouveau sous prétexte d'humanité, provoque les mêmes débats qui ne s'arrêteront qu'avec la fin, que l'on ne peut que souhaiter proche, de la peine de mort aux USA.

Les sciences et les techniques sont de plus en plus confrontées à l'usage qui en est fait. La même technique qui peut faire progresser l'humanité peut aussi devenir un instrument de barbarie. Les exemples se multiplieront dans le siècle suivant.

Quel futur pour l'électricité ?

Un départ aussi fulgurant que celui de la science électrique et des techniques qu'elle a fait naître ne pouvait qu'inspirer les prophéties.

Edouard Hospitalier dans La Nature (1882, premier semestre) imagine l'usage à venir des accumulateurs :

"Les études sont dirigées aujourd'hui du côté des accumulateurs, et l'on peut espérer que, on sera arrivé à les construire assez légers pour pouvoir faire fonctionner des véhicules pendant quelques heures à l'aide de l'électricité emmagasinée. Il sera facile alors d'établir en certains points de la capitale de véritables relais où l'on viendra recharger les accumulateurs en les branchant sur la canalisation générale de la distribution. On aura ainsi réalisé le cheval de fiacre électrique et la nourriture électrique.

         Nous n'en sommes pas encore là au point de vue de la pratique, mais combien d'années encore cette utopie mettra-t-elle à devenir une réalité."

         Combien d'années ? E. Hospitalier, comme ses contemporains, était certain que l'électricité était l'énergie de l'avenir et avec elle la locomotion électrique. C'était compter sans le pétrole dont on commençait seulement à imaginer l'usage possible dans ces moteurs à explosion dont le premier brevet avait été déposé par les frères Niepce en 1807 à un moment où ils ne disposaient pas encore du combustible idéal (leur prototype fonctionnait à la poudre de lycopode, spores d'un champignon). Un siècle plus tard, effet de serre et épuisement des ressources combinés, l'idée de la voiture électrique, à condition que la production d'électricité  ne soit  pas elle-même source de pollution, intéresse à nouveau pouvoirs publics et industriels.

         Les idées ne manquaient déjà pas au siècle de l'avant-pétrole. Louis Figuier, rendant compte de l'exposition de 1881 dans L'année Scientifique de 1882, expose les siennes : utiliser les énergies des chutes d'eau, des marées, des fleuves.

         "Créer de l'électricité par la force primitive, transporter cette électricité à distance au moyen d'un fil, et à cette distance changer de nouveau cette électricité en mouvement… des forces naturelles aujourd'hui perdues pourraient être utilisées en les transportant à une distance plus ou moins grande.

         Il y a par exemple, dans les Alpes, dans les Pyrénées, dans les Apennins, dans les Andes, d'immenses chutes d'eau qui pourraient produire de grands effets mécaniques, et qui sont perdues parce que l'on n'a pas le moyen de les utiliser sur place. Transportez cette force du pied des Alpes, par exemple, jusque dans une usine située à 20 ou 30 kilomètres, et vous disposerez ainsi d'une puissance qui était perdue, qui ne sera pas assurément gratuite, mais qui sera un accroissement de votre énergie mécanique.

         Les marées sont une force naturelle immense, mais dont on ne peut tirer parti sur les rivages de l'océan. Transformez en électricité, au moyen d'une machine dynamo-électrique, la force mécanique de l'influx marin recueilli sur les côtes, et transportez au loin cette électricité… et vous aurez tiré parti d'une force naturelle qui jusqu'ici n'a jamais pu être utilisée sérieusement…

         La roue d'un modeste moulin peut même être employée à produire de l'électricité, et cette électricité transporter au loin l'énergie mécanique de la chute d'eau"

         Nous trouvons dans cette énumération une grande partie des énergies renouvelables que nous exploitons aujourd'hui ou que nous souhaitons exploiter dans l'avenir. L'énergie des chutes d'eau a déjà largement été mise à profit. Celle des barrages sur les fleuves commence à atteindre ses limites car la terre qu'ils engloutissent est, elle aussi, un bien précieux. Quelques usines marée-motrices fonctionnent mais surtout on commence à peine à expérimenter l'usage d'hydroliennes utilisant les courants marins.

En y ajoutant l'énergie du vent et surtout l'énergie solaire on aura complété la panoplie des alternatives aux énergies fossiles qui constitueront probablement une part essentielle de notre futur.

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

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On peut lire aussi :

Histoire de l'électricité. Histoire des unités électriques.

Histoire de l'électricité. Les voitures électriques dans le Paris de la belle époque.

Au moment où le tramway fait l'actualité parisienne couplé avec le problème de la pollution de l'air et celui de la lutte contre l'effet de serre, il peut être amusant de se pencher sur l'histoire des débuts de la locomotion automobile à Paris. Une période où la principale pollution était due au crottin de cheval, où le pétrole servait essentiellement à alimenter les lampes et où les tenants du "progrès" espéraient beaucoup de la traction électrique.

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