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L'électricité
La lampe à incandescence
Avant l'invention de la lampe à incandescence, les industriels avaient déjà équipé de nombreux bâtiments administratifs ou industriels d'éclairage à base de lampes à arc.
Ce type d'éclairage avait été mis au point et amélioré par de nombreux inventeurs suite à la découverte de l'arc électrique par Humphrey Davy vers 1809.
Les lampes à arc équipaient aussi les installations de forte puissance comme les phares en remplacement des lampes à pétrole ou à gaz.
Cette industrie était du reste très prospère vers la fin de la seconde moitié du 19 ième siècle. Nous sommes à la Belle Epoque en France, Monsieur Haussman construit un nouveau Paris. La Brush Electric Co. pour n'en citer qu'une est leader dans la production de lampes à arc et équipe les grandes artères des capitales du monde entier. Son Directeur, Charles Francis Brush, est le premier à avoir installé un éclairage permanent dans un lieu public - le Public Square de sa ville de Cleveland où est implantée sa firme.
Mais qui a donc inventé la lampe à incandescence ? Il n'est pas si facile que cela de répondre à une telle question.
Il semblerait que vers 1835, le tisserand et électricien écossais James Bowman LINDSAY (1799-1862) ait inventé une lampe à incandescence formée d'un tube dans lequel il avait fait le vide et qui contenait un filament rendu lumineux par le courant électrique.
Vers 1845, un certain M. KING avait réussi à fabriquer un dispositif d'éclairage en faisant passer le courant dans un crayon de charbon qui émettait une lumière très satisfaisante pour un appartement ou une salle de réunion.
Mais un des réels pionniers de la lampe électrique à incandescence est vraisemblablement Heinrich GOEBEL qui vers 1854 eut l'idée, pour illuminer le soir son magasin de montres et horlogerie à New-York , de construire une lampe à filament de carbone.
Cet ingénieur germano-américain, né le 20 avril 1818 près de Hannovre et mort le 16 décembre 1893 à New York, avait remarqué que la carbonisation de fibres de bambou donnait un filament conducteur de l'électricité et qu'il était possible de le rendre incandescent dans un milieu vide d'air.
L'histoire raconte qu'il utilisa des flacons d'eau de Cologne (Kölnisch-Wasser-Flaschen) pour réaliser ses premières lampes et sa propre canne en bambou comme matière première.
Mais cet homme ingénieux, trop en avance sur son temps sans doute, ne réussit pas à intéresser les industriels.
A cette époque, il n'était pas le seul au monde à essayer de mettre au point une lampe d'éclairage à incandescence.
Des chercheurs tels le physicien britannique William Robert GROVE (1811-1896), Frederik de MOLEYNS, W.E. STAITE, John DAPER (1846-brevet sur une lampe à filament platine) , Edward G. SHEPARD (1850-filament en charbon), John T. WAY (lampe à vapeur de mercure), Alexandre Lodyguin (1874 - filament métallique) et sans doute bien d'autres, menaient des essais dans ce domaine.
En juillet 1874, à Toronto au Canada, Henry WOODWARD un jeune étudiant en médecine et son ami Mathew EVANS font breveter une lampe électrique à incandescence à filament de carbone (U.S. Patent 181,613). Cette lampe dont l'ampoule de verre était remplie d'azote pour permettre une longue vie au filament était assez performante et pleine d'avenir. Malheureusement, les deux chercheurs n'avaient pas suffisament d'argent pour exploiter leur invention et ils durent se résigner à vendre leur brevet à Thomas EDISON.
Dans son livre sur les Merveilles de la Science, Louis Figuier cite aussi Monsieur De CHANGY, ingénieur français travaillant en Belgique dans les mines, qui avait réalisé vers 1854 des lampes à incandescences pour l'éclairage des mines.
Il utilisait un filament en platine, mais ses appareils furent abandonnés car le fil de platine fondait souvent et la durée de vie de ces premières lampes était très aléatoire.
Son invention aurait été aussi refusée pour l'éclairage des mines de charbon car jugée comme étant "trop parfaite". Elle ne permettait pas de détecter la présence de gaz comme la lampe de sécurité de Davy. Notons que les lampes à arc non plus n'avaient pas été retenues pour un emploi en milieu explosif !
DE CHANGY présentant sa lampe à incandescence devant l'Ingénieur en Chef
des Mines en Belgique (1852)
(Nouvelles conquêtes de la science, Louis Figuier, Tome 1 Électricité)
L'éclairage électrique à incandescence sera introduit plus tard pour la première fois en France dans les mines de Blanzy et Richebelle après le développement d'un certain nombre de dispositifs de nature à éviter une explosion (coup de grisou).
Il semblerait aussi que le célèbre Robert HOUDIN, connu comme le père de l'illusionnisme, ait réalisé des lampes à incandescence vers 1866 pour les besoins d'une fête familiale. Ce grand magicien, moins connu pour sa carrière scientifique, a en effet déposé de nombreux brevets dont un sur une amélioration de la lampe à arc. Il est très vraisemblable qu'il se soit aussi intéressé à l'éclairage à incandescence et qu'il ait réussi à construire quelques lampes prototypes comme l'a rappelé Sylvain Lefavrais dans un article paru dans le N° 10 des Cahiers de Médiologie, deuxième semestre 2000.
En Angleterre, Josef Wilson SWAN travaille lui aussi à la mise au point d'une lampe à incandescence. Sans prendre la précaution de déposer de brevet, Swan présente ses résultats dès janvier 1879 à Sunderland (Lecture d'un rapport à l'Athenaeum - Fawcett Street à Sunderland) puis à l'Exposition Universelle de l'Electricité à Newcastle.
Aux Etats-Unis, Thomas Alva EDISON cherche, dans son laboratoire de Menlo Park, à faire fonctionner, de façon stable et durable, une lampe à incandescence.
En 1879, six mois après Swan, il annonçera qu'il a mis au point une lampe "incombustible" capable de fonctionner de longs mois sans se détériorer. A l'inverse de son concurrent anglais, il n'avait pas omis de déposer tous les brevets nécessaires pour protéger son invention.
Une telle annonce, après les nombreux échecs connus, laissa les savants septiques, d'autant plus que le problème restait l'industrialisation du procédé et la commercialisation de ces nouveaux composants.
Une des premières difficultés à résoudre était l'obtention d'un bon vide dans l'ampoule de verre.
Edison s'équipe d'une trompe à mercure qui va lui permettre, dès octobre 1880, de produire, en série, les premières lampes (Edison Lamp Works à Menlo Park).
Il installera sur le navire U.S.S. Columbia 100 lampes électriques ce qui sera une opération publicitaire très remarquée.
Thomas Edison - Menlo Park - 1879
Réalisation du vide dans une ampoule électrique à l'aide d'une "trompe à mercure"
L'Exposition Internationale d'Electricité de PARIS de 1881 sera aussi pour lui un tremplin médiatique inespéré.
A cette foire internationale sont présents tous les pays du monde industrialisé et elle est l'occasion rêvée pour montrer les toutes dernières inventions et négocier des contrats.
Edison installera pour cette occasion 1000 lampes qui éclaireront en même temps et cette opération publicitaire restera, sans conteste, une des attractions de cette manifestation.
La première lampe dite "à filament carbone" inventée par EDISON a été rapidement perfectionnée de façon à être réalisée en grande série et à avoir une durée de vie augmentée.
Lewis Howard LATIMER (1848 – 1928), technicien et ancien conseillé en brevets chez Crosby Halstead & Gould, et son camarade inventeur, Joseph V. Nichols, avaient obtenu en 1881 un brevet pour l'invention d'une lampe à incandescence avec un filament de carbone dont la durée de vie était supérieure à 30 heures. Il sera embauché par Thomas Edison pour perfectionner et industrialiser ses premières lampes à incandescence.
On se souvient que les premiers filaments des lampes EDISON étaient obtenus en carbonisant des fibres de bambou du Japon. Les améliorations apportées par LATIMER dans la réalisation de ces filaments (patent #252,386) et dans la fabrication des autres composants de la lampe permirent de porter la durée de vie de ces lampes à plusieurs centaines d'heures.
Lewis Howard LATIMER dirigera quelques années plus tard l'installation de réseaux électriques urbains à New York et Philadelphie aux Etats-Unis, à Montréal au Canada et sera commis à Londres où il sera chargé de monter un département de lampes à incandescence pour la Maxim-Weston Electric Light Company.
Eclairage des rues de Paris
Chromo publicitaire distribuée par La Chicorée Extra marque de la BELLE JARDINIERE - vers 1930
Pour l'anecdote, Lewis H. Latimer est aussi l'inventeur d'un système d'entretien des toilettes installées dans les wagons - invention de 1874, brevet #147,363 appelée "Water closet for railroad cars" ("Toilettes placard/armoire" d'où le sigle de W.C. adopté en France alors qu'il est peu, voire plus, utilisé de nos jours dans les pays anglo-saxons).
Swan, de son côté, réalisait le filament de ses lampes à partir d'un fil de coton trempé dans l'acide sulfurique puis carbonisé sous atmosphère contrôlée.
Avec ces nouvelles lampes, l'éclairage artificiel allait enfin pouvoir entrer dans les foyers.
Les villes, les campagnes, les maisons allaient enfin pouvoir être éclairées quelles que soient les conditions atmosphériques, de nuit bien sûr mais aussi de jour si nécessaire.
L'éclairage portatif voit lui aussi le jour. La lampe de poche sur pile va être d'un grand secours à la ville comme à la campagne.
Mais les constructeurs de lampes à arc comprennent rapidement que ces nouveaux fabricants de lampes à incandescence sont des concurrents sérieux.
C'est pour se battre sur ces nouveaux marchés que Charles Brush par exemple envoie son collaborateur Thomas Montgomery en Angleterre vers 1881 pour fonder la Anglo-American Brush Electric Light Corporation qui fera la promotion à la fois de l'éclairage à arc et de l'éclairage à incandescence.
Ce même Montgommery fondera un peu après la Swan Incandescent Electric Light Company of New York pour promouvoir les lampes à incandescentes SWAN aux Etats-Unis, lampes fabriquées sous licence Lane-Fox.
Le monde de l'éclairage est petit à cette époque ..... et le marché potentiel immense !!
Ainsi les constructeurs de lampes à arc, pour éviter de mourir, vont rapidement ajouter des nouvelles lampes à incandescence à leur gamme de produits.
Il n'est donc pas étonnant aussi de voir ces constructeurss proposer des lampes à incandescence industrielles comportant des variantes de conception de façon à contourner les brevets d'Edison.
Les lampes de Lane-Fox ou de BRUSH en sont un exemple ; .... jusqu'au jour de 1886 où ce même constructeur se rapprochera d'Edison pour fonder la United Electric Light Compagny qui sera absorbée par la General Electric.
Mais tel n'est-il pas le cycle de vie des entreprises !
.... et le monde s'éclaire !
En juin 1881, le Lamb's Hotel dans la Reform Street à Dundee au nord de l'Ecosse, est vraisemblablement un des premiers hôtels d'Europe à être équipé d'un éclairage électrique.
Le 12 novembre 1881, la première compagnie publique d'électricité au monde est créée à GOLDAMING (Région du Surrey au sud de LONDRES).
Elle installe le premier éclairage de rues.
A la même époque les grandes capitales européennes commencent à disposer d'éclairages électriques à usage public ou privé.
Les culots et les douilles
Lorsque Edison met en place ses premières "light bulb" sur le USS Columbia, le système de raccordement des lampes n'est pas encore inventé.
Il avait fabriqué pour cette première application un raccordement en bois avec une partie vissée en laiton qui s'inspirait des becs de gaz. Le culot Edison à vis ne sera mis au point que quelques années plus tard.
Dans les années qui suivirent la commercialisation des premières lampes électriques Edison, d'autres constructeurs et inventeurs se mirent bien sûr sur le créneau et proposèrent différentes variantes et améliorations. Cet engouement donna lieu au passage à de très belles batailles juridiques autour des brevets déposés par les uns et les autres.
De cette bataille juridico-industrielle, le client ne sortira pas indemne et il aura le choix à la fin du 19ième siècle entre plus de 25 types différents de culots de lampes et de douilles correspondantes.
Les fabricants non plus ne sortiront pas tous brillamment de cette bataille et vers 1900, les 3 grandes compagnies Thomas Edison Co., Thomson-Houston Electric Co. et the Westinghouse Co. couvraient déjà la quasi totalité du périmètre commercial mondial des lampes d'éclairage, soit en produisant directement, soit au travers de licences d'exploitation.
Pour ce qui est des culots de lampes, le sort fut vite joué. En 1890, aux USA, le type Edison à vis représentait déjà 70% des ventes, le type Thomson-Houston environ 15 % et le type Westinghouse environ 10 %. L'information faite sur les dangers que pouvaient faire courir aux utilisateurs les autres types de culots encore fabriqués et une exploitation médiatiques (et sans doute pas toujours scientifiquement objective) de ces informations avec l'arrivée du courant alternatif conduira rapidement à leur totale disparition.
Pendant la période où plusieurs types de culots coexistaient dans le commerce, il était possible de se procurer des adaptateurs spécifiques pour passer d'un standard à un autre à la façon des adaptateurs de prises de courant que l'on trouve actuellement.
Cliquez ici pour voir un adaptateur qui permettait de transformer une lampe à culot à vis Edison en standard Thomson-Houston.
En Europe, le culot type baïonnette, développé par Swan se partage le marché avec le culot Edison à vis.
La fusion en 1892 de la General Electric-Edison Co et de la Thomson-Houston qui donnera naissance à la General Electric Co sera, sans doute, une des dernières étapes vers la normalisation des culots de lampes.
Enfin, en 1912, la National Electric Lamp Association est créée à Cleveland (Ohio) avec pour but d'imposer un standard de culots et de douilles à l'ensemble des fabricants dans le monde.
Il n'est donc pas étonnant que les deux types de culots utilisés de nos jours (douille à vis dite EDISON et douille baïonnette) n'aient pas été modifiés dans leurs dimensions depuis un siècle.
On peut retrouver encore des traces, dans de vieux catalogues francais d'avant 1900, de lampes sans culot dites lampes à anneaux disposant de 2 anneaux soudés dans le verre et qui étaient montées sur des supports spéciaux équipés d'un ressort. Ce type de connexion a, bien sûr, aujourd'hui complètement disparu.
Peu après 1900, une production de lampes électriques est démarrée en France. La Compagnie de Lampes Electriques par exemple fabrique vers 1908, dans son usine d'Issy-les-Moulineaux , des lampes pour couvrir les besoins du marché intérieur.
Une autre entreprise, la Compagnie Nationale des Lampes à incandescence était installée à Ivry sur Seine
Vers l'amélioration de la durée de vie
Détail de réalisation
d'un filament de tungstène
Il est supporté en son milieu par
un fil fixé à l'ampoule de verre
lampe de type ancien
Bien que l'amélioration des techniques de fabrication des filaments de carbone ait pu permettre de fabriquer des lampes robustes et durables, les industriels cherchaient à améliorer les rendements et à obtenir des couleurs de lumière plus proches de la lumière naturelle en augmentant la température de fonctionnement des filaments.
Deux voies d'amélioration étaient suivies :
- La mise au point de filaments métalliques
- le recherche de mélanges gazeux permettant de limiter l'évaporation du filament et le noircissement du verre
En 1902, l'ingénieur Werner von BOLTON réussi à fabriquer un filament en tantale. Il réalise une lampe dont le rendement lumineux est 5 fois plus élevé que la lampe à filament de carbone.
En 1904, l'autrichien Alexander JUSTT et son assistant Franz HANAMAN réussissent à agglomérer la poudre de tungstène pour réaliser un filament qui peut être porté à très haute température sans être détruit rapidement.
En 1908, William D. COOLIDGE (1873-1975) met au point un procédé de filage du tungstène à haute température. Il obtient ainsi un filament plus résistant que le filament fritté qui restait très friable.
La puissance des lampes et le rendement électrique
Les premières lampes fabriquées industriellement avaient des puissances d'éclairage assez médiocres. Par référence au passé la puissance de ces lampes était exprimée en "bougies".
La bougie dite décimale équivaut à 1/20 de l'étalon VIOLLE.
La lampe EDISON à filament de carbone faisait tout au plus 16 bougies pour 50 watts électriques consommés.
L'efficacité des nouvelles lampes à filament métallique était bien meilleure :
- une 25 bougies au tantale consommait environ 30 watts électriques
- une 40 bougies au tungstène consommait 40 watts seulement
Ceci explique que de nos jours les lampes lampes à incandescence commercialisées pour un usage domestique sont toutes à filament de tungstène.
Les axes de progrès
Les lampes Argon et Krypton
Les lampes à filament de tungstène actuelles comportent un filament en forme de ressort qui constitue un milieu où la densité de puissance est très élevée et l'émission de puissance présente une forte luminance. Il n'est pas possible d'aller au delà des conditions nominales de température du filament car l'évaporation du tungstène et sa recristalisation conduirait à une réduction rapide de sa durée de vie et à un noircissement de l'ampoule.
Il est possible de limiter cette évaporation en introduisant des gaz rares dans l'ampoule , mais la grande dimension de l'enveloppe de verre limite la pression du gaz à une valeur proche de la pression atmosphérique et limite du même coup l'effet recherché.
La recherche du rendement à conduit à développer des lampes à atmosphère d'argon, d'azote ou de krypton dont les qualités sont reconnues et justifient un prix unitaire un peu plus élevé que les lampes ordinaires.
Les lampes à iode
Une autre voie d'amélioration consiste à introduire dans la lampe un halogène ( iode) qui en se combinant avec le tugstène va permettre de supprimer le dépôt de métal sur la paroi de l'ampoule. Il est alors possible d'avoir une ampoule de taille beaucoup plus petite et de mettre le gaz sous pression .
Dans ces lampes il a même été possible de porter la température du filament à 3.000 °K et d'atteindre des durées de vie de plus de 2.000 heures.
L'efficacité de ces lampes est de l'ordre de 20 à 25 lm/W (lumen par watt électrique) ce qui est bien supérieur aux 12 à 14 lm/W des lampes à incandescence ordinaires.
On trouve dans cette famille les lampes dites à iode pour l'éclairage domestique ou l'éclairage automobile.
Ce sont en général des lampes basse tension ce qui permet d'avoir un filament très court et une enveloppe de verre (quartz) de petite taille. Mais il existe aussi des lampes en 230 V qui ont l'avantage de pouvoir se substituer aux lampes ordinaires.
Les autres types de lampes
Les lampes basées sur la luminescence
Bien que la première application des plasmas fut réalisée vers 1814 par Davy et Faraday, il faudra attendre plus d'un demi-siècle pour voir une réalisation commerciale.
Les lampes à décharge
Elles sont constituées d'une enceinte étanche et transparente qui contient un mélange gazeux susceptible de rayonner c'est à dire d'émettre de la lumière dans un domaine de longueurs d'ondes désiré (couleur de la lumière).
Dans le domaine des hautes pressions on va trouver les lampes à vapeur de sodium haute pression et les lampes à vapeur de mercure. Ces lampes sont utilisées pour l'éclairage urbain pour leur bon rendement (110 lm/W) et leur efficacité par temps de brouillard.
Suivant la pression du mélange gazeux et sa composition (adjonction d'halogénures métalliques) il est possible d'avoir une température de lumière allant de 2700 °K (lumière jaune) à 3200 °K voire 6000 °K (lumière blanche) et de modifier le spectre des couleurs.
Les "nouvelles lumières" de la Tour Eiffel ont été installées pour le centenaire de la tour en 1989.
Elles sont composées de 292 projecteurs équipés de lampes à vapeur de sodium d'une puissance unitaire de 1 000 W.
Elles remplacent les 1290 projecteurs précédemment installés sur le Champ-de-Mars et ont permis un gain de puissance de plus de 350 KW.
La couleur chaude de ces éclairages donne un aspect doré très agréable à la Grande Dame.
Les lampes fluorescentes
Ces lampes sont à tort souvent appelées "tubes au néon".
Ce sont des lampes tubulaires dont l'ampoule est tapissée de poudre fluorescente. Cette poudre est rendue lumineuse par le rayonnement ultra-violet émis par une décharge dans la vapeur de mercure contenue dans l'ampoule.
Ces tubes sont abondament employés pour l'éclairage des bureaux, des magasins, des espaces publics et même à la maison .
Leur durée de vie peut dépasser 8000 heures ce qui est très intéressant du point de vue de la maintenance de ces sources d'éclairage.
Ils ont l'avantage d'être très efficace sur le plan lumineux donc économiques en électricité, mais l'usage du mercure reste problématique. Les recherches vont dans le sens de la mise au point de produits de substitution (lampes blanches au néon ou au xénon).
Combinés entre elles, ces différentes sources de lumière permettent les éclairages les plus variés. Les lasers en particulier permettent des illuminations sur des surfaces immenses et sont bien adaptés pour la réalisations de spectacles lumineux en milieu urbain.
Quelques exemples de lampes à incandescence spéciales
Des lampes de très grande puissance ont été fabriquées pour l'éclairage des phares ou pour des applications militaires.
Cette lampe de DCA de 50 cm de hauteur et d'une puissance de 5 000 watts est l'équivalent de plus de 50 lampes domestiques.
Les images ci-dessous montre le dispositif d'éclairage dans son ensemble. L'image de droite montre la carcasse d'un projecteur allemand qui a été réutilisée par le professeur Félix Trombe dès 1946 à Odeillo près de Font-Romeu, dans les Pyrénées Orientales, pour faire les premiers essais de captation de l'énergie du soleil. C'est le premier "four solaire" réalisé à des fins scientifiques.
La lampe du projecteur a été retirée. Les rayons solaires venaient se concentrer à sa place, au foyer du miroir que l'on distingue sur la photo.
Fonctionnement inverse du projecteur de défense anti-aérienne d'origine !
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Dans les années 1930, les lampes décoratives en verre coloré étaient très en vogue.
Les trams et le métro étaient équipés de lampes spéciales.
Il existait aussi des lampes à 2 puissances équipées d'un interrupteur intégré au culot. Edison par exemple avait proposé vers 1892 une astucieuse lampe à 2 niveaux d'éclairage qu'il avait commercialisé sous le nom de "Night Lamp" et qui avait une position veilleuse pour éclairer la nuit les couloirs ou les chambres. Et puis n'oublions pas les lampes miniatures qui servent à orner nos sapins de Noël. Il en existe de toutes les formes et de toutes les couleurs. Les plus anciennes font la joie des collectionneurs.
Des lampes spéciales pour diffuseurs de parfums ou de produits insecticides étaient commercialisées dans les années 1950.
Le 18 octobre 1931, pour célébrer la mort d'EDISON, une minute d'obscurité est marquée aux USA.
Devinette
Savez-vous quelle est la plus grosse et la plus puissante lampe à incandescence à filament de tungstène construite dans le monde ?
Sans doute celle représentée sur la reproduction ci-contre.
Cette lampe a été fabriquée par la General Electric Company en 1928, à l'occasion du cinquantenaire de l'invention d'Edison.
Elle a une puissance de 50 000 W et mesure plus de 60 cm de diamètre et doit avoir plus de 1,20 m de hauteur.
Un peu gros pour une lampe de poche !!
Cette pièce de collection est exposée au Musée des Sciences et Techniques d'Ottawa - Canada.
Cette lampe n'a sans doute bien sûr jamais fonctionné.
C'est une véritable oeuvre d'art réalisée par les meilleurs ouvriers de la G. E.
Elle mériterait sans doute, de figurer, de par sa taille, dans le Guiness des Records !
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Cartes postales originales éditées dans les années 1910
Elles entraient dans le cadre d'une campagne de promotion de l'éclairage électrique.
Sources :
- 1. Le règne de l'Electricité - Gaston Bonnefont - Alfred Mame et Fils Editeurs - Tours 1895
- 2. La planète Electricité - Nicolas SKROTZKY - Editions Hologramme - 1984
- 3. The Edison Night Lamp - The Electrical Engineer - Vol 14 - Juillet 1892
- 4. Nouvelles conquêtes de la science, Tome 1 Électricité - Louis Figuier