Raconte-moi la radio
L'électricité
L'électricité c'est quoi ?
Les premières expériences
L'électricité est connue depuis fort longtemps.
Thalès de Milet, mathématicien, physicien et astronome grec qui vécut vers 600 avant J.C., connaissait déjà la propriété de l'ambre d'attirer des matériaux légers.
C'est d'ailleurs par référence à l'ambre jaune (elektron en grec) que fut créé le mot.
L'ambre jaune, résine fossile de conifères, a été employé depuis l'antiquité comme matière noble pour faire des bijoux.
William GILBERT (1544-1603), médecin de la reine Elisabeth d'Angleterre, employait le terme de vertu électrique, vis electrica, pour désigner les phénomènes électriques.
On connaissait aussi déjà à cette époque la propriété de certains poissons d'infliger des décharges électriques.
La torpille (Torpedo Marmorata) en est un exemple.
Les organes électriques de cet animal ou électro-plaques sont disposés en arrière des yeux et traversent le corps verticalement.
Chez certaines espèces comme la torpille noire (Torpedo Nobiliana), ils peuvent produire une tension atteignant 200 volts avec une intensité de 8 ampères.
Les propriétés magnétiques de la pierre de Lydie (Aydin en Turquie) ou de Magnésie (Bolos en Grèce) était aussi connue depuis l'antiquité.
La magnétite est un oxyde de fer (Fe3O4) que l'on trouve à l'état naturel sur toute la surface de la terre.
Ce minerai de couleur noire possède des propriétés magnétiques exceptionnelles et est particulièrement abondant sur le pôle nord du globe terrestre. C'est un très bon minerai de fer.
Il faut attendre la fin du 17ième siècle pour que les physiciens commencent à explorer scientifiquement cette nouvelle partie de la physique que nous appelons aujourd'hui électrostatique.
Vers 1730, Charles François de CISTERNAY DU FAY (1698-1739) avait déjà constaté la production des électricités positives et négatives en frottant un bâton de verre ou de résine (électricité vitrée et électricité résineuse) et fait quelques expériences sur la conductivité des flammes et de quelques corps.
A la même époque, le physicien britannique Stephen GRAY (1670-1736) découvre l'électrisation par influence et développe les notions de conducteur et isolant.
Mais les savants de l'époque cherchent à expliquer les phénomènes électriques dont l'action sur l'homme ou les animaux est souvent spectaculaire (foudre, orage, ...).
Expérience de GUERICKE sur la répulsion électrique
Hambourg 1672
Chromo publicitaire distribuée par la marque Liebig vers 1930
Vers 1750, Kuneus, élève de Petrus VAN MUSSCHENBROECK (1692-1761) cherchait à électriser l'eau contenue dans un bocal en lui transmettant les charges d'une machine électrique.
Cette machine électrique primitive, composée d'une boule en soufre que l'on faisait tourner à la main, avait été inventée vers 1670 par Otto von GERICKE (1602-1686), physicien allemand et bourgmestre de sa ville natale de Magdeburg - Vous vous souvenez des hémisphères de Magdeburg !
Kuneus n'observait rien de particulier dans l'eau et stoppa son expérience.
En prenant le vase à la main, il reçu une violente commotion qui l'effraya beaucoup.
Van Musschenbroeck qui répéta l'expérience, écrivait à Réaumur qu'il ne la recommencerait pas pour la couronne de France.
Il venait pourtant de faire une découverte capitale, le condensateur, que l'on appela par la suite bouteille de LEYDE du nom de la ville de LEYDEN où fut réalisée cette expérience.
Ewald Georg von KLEIST (1700-1748), doyen de la cathédrale de Cammin en Poméranie (actuellement Kamien Pomorski en Pologne), fit à la même époque, semble-t-il, une découverte identique.
Franz AEPINUS, autre savant de la même génération travaillait de son côté à St Petersbourg sur l'électricité et certains lui attribuent aussi l'invention du condensateur.
Michel ADANSON (1727-1806), un botaniste français qui explora le Sénégal pendant cinq ans, émit l'hypothèse que la décharge du silure du Sénégal, pourrait être analogue à celle de la bouteille de Leyde.
Trois ans plus tard, Van Musschenbroek exprima la même idée à propos de l'anguille électrique de Guyane.
Cette hypothèse fut démontrée en 1772 par John WALSH sur un autre poisson électrique, la torpille.
C'est quelques années après, en 1771, que le médecin et physicien italien Luigi GALVANI (1737-1798), suite à sa célèbre expérience sur la grenouille, conclut, un peu hâtivement, à l'existence d'une forme d'électricité animale.
ELECTRIUM Montréal Québec
Anguille électrique
Les premières machines électriques
Afin de réaliser facilement des expériences sur l'électricité, les physiciens développèrent des machines à produire des charges électriques.
L'image ci-contre montre le principe de la machine de Nairn.
Les charges électriques sont produites par le frottement d'un cuir sur un cylindre de verre.
Cette machine fonctionnait de façon variable et était très sensible à la qualité de l'air (humidité).
L'allemand HOLTZ imagine une machine plus perfectionnée pourvue de 2 disques de verre dont un tourne à grande vitesse autour de son axe.
Avec de telles machines il était déjà possible de charger des bouteilles de Leyde et de faire des expériences de physique spectaculaires..
La machine de Wimshurst, présentée ci-dessous, est dérivée de la machine précédente.
Elle a été développée par le physicien britannique James WIMSHURST (1832-1903) vers 1882.
Parmi les générateurs à influence telle la première et la 2ième machines de Holtz vue précédemment, la machine de Wimshurst cumule deux avantages : elle est auto-excitée (une manivelle suffit à la faire fonctionner) et son excitation est indépendante de la charge des pôles (elle ne se désamorce pas).
Elle présente donc le gros avantage de pouvoir démarrer sans électrisation préalable à l'aide d'une bouteille de Leyde chargée.
Elle se compose de 2 disques de verre ou d'ébonite tournant en sens inverse l'un de l'autre. De petits secteurs en étain sont collés sur les disques et 2 balais métalliques viennent récupérer les charges statiques.
Ce type de machine a été utilisé dans tous les laboratoires du monde comme source d'électricité jusqu'au siècle dernier et sa facilité de fonctionnement la destine tout particulièrement aux expériences d'électrostatique des Lycées et Facultés.
Les premières études sur les étincelles et sur les décharges oscillantes ont été réalisées avec ce type de matériel.
La machine inventée par William George ARMSTRONG (1810-1900) fonctionne sur un principe différent des machines vues précédemment.
C'est un des premiers générateur de puissance à usage industriel.
Dans cette machine l'électricité est formée par le frottement de gouttelettes d'eau entraînées par de la vapeur.
Une chaudière produit de la vapeur qui sort par des becs d'échappement et traverse des tubes métalliques entourés d'étoupe humide.
Les charges électriques sont collectées par des tiges métalliques qui sont implantés dans les jets d'échappement.
De telles machines étaient capable de produire en continu des étincelles d'une vingtaine de centimètre.
Sans ces différentes machines, la radio ne serait pas née ou tout au moins pas de la même façon.
On sonne à la porte !
Vous vous souvenez sans doute d'AMPERE qui a inventé avec ARAGO vers 1835 l'électro-aimant.
Cette découverte va servir de base à la télégraphie électrique, mais aussi va permettre la fabrication d'appareils domestiques que l'on va progressivement rencontrer dès le milieu du 19ième siècle tant à la ville qu'à la campagne.
La sonnette électrique est sans doute la plus commune des applications de l'électromagnétisme.
l'électro-aimant attire périodiquement un marteau qui vient frapper le timbre de la sonnette.
La sonnerie du téléphone classique fonctionnait sur ce principe.
Il en est de même pour l'appel de la chambre d'hôtel ou d'hôpital.
Les premiers essais de distribution en haute tension en région parisienne ont eu lieu en 1885 : deux fils télégraphiques sous une tension de 6,000 Volts avaient permis de transporter une puissance de 116 chevaux (moins de 100 KW) entre Creil et Paris.
A partir de 1889, l'aristocratie s'enivre des plaisirs de la Belle époque et prend connaissance des progrès technique en visitant l'Exposition Universelle.
On fête le centenaire de la Révolution française dans l'explosion des techniques nouvelles et on grimpe au sommet de la Tour de Monsieur Eiffel qui est le symbole de cette exposition.
Les hôtels luxueux des riches quartiers bourgeois s'équipent des dernières inventions, au grand dam des domestiques pour qui sonne le glas du chômage : la sonnette remplace définitivement la clochette et le portier en livrée va disparaître remplacé par un bouton anonyme.
Le dessinateur visionnaire Albert ROBIDA (1848-1936) imagine déjà les développements de l'électricité et publie dans "la Vie Electrique" ce dessin très futuriste.
Vers 1900, d'autres artistes encore plus audacieux représentent le quotidien de Monsieur tout le Monde tel qu'ils pensent qu'il sera à la fin du siècle qui commence. Se sont-ils trompés beaucoup ?
Il est vrai qu'en cette année 1900, le pavillons de l'Electricité construit dans l'enceinte de l'Exposition Universelle de Paris, permet à de très nombreux visiteurs de découvrir ces technologies nouvelles, ces machines électriques gigantesques pour l'époque qui sont capables de produire de façon industrielle cette nouvelle énergie disponible de façon quasi permanente et ces appareils domestiques qui vont ouvrir des modes de vie nouveaux (lave-linge, chauffe-eau, cuisinière électrique etc).
20 ans déjà que Monsieur Edison a développé l'éclairage électrique à incandescence, 20 ans qui ont permis des développements industriels qui mettent les utopies d'hier à la portée de tous.
Et puis n'oublions pas, 1900 c'est aussi le cinéma, les premiers escaliers roulants et les ascenseurs, la voiture électrique et toutes les applications industrielles de l'électricité dans les domaines de la chimie, de la métallurgie, de l'agriculture pour n'en citer que quelques uns.
1900 est aussi l'année de l'inauguration, à Paris, de la première ligne du Métropolitain qui restera certes une des attractions de l'Exposition Universelle, mais sera surtout le début d'une révolution dans le transport en commun de millions de personnes dans la capitale française.
Appuyez sur ce magnifique bouton de porcelaine peint à la main.
Quelque part dans la maison le tintement d'une sonnette va avertir la maîtresse de votre présence.
L'électricité est mis au service de la transmission d'informations indispensables dans la vie de tous les jours.
Tournez le bouton de cet interrupteur en bois et la lumière jaillira dans le salon.
C'est vrai qu'en cette fin de 19ième siècle l'éclairage au gaz commence à disparaître dans les maisons au profit de l'éclairage électrique. La Fée Électricité entre dans les foyers.
Manoeuvrez le commutateur et le téléphone d'intérieur vous mettra en communication avec vos hotes.
Mais d'où vient cette énergie qui va mettre en mouvement le marteau de la sonnette ou faire fonctionner le téléphone ?
Sans doute, quelque part, au fond d'un placard, une batterie de piles, invention de ce cher Monsieur VOLTA, va fournir le courant nécessaire au fonctionnement de tous ces matériels.
Le schéma de l'installation est même collé au mur pour faciliter l'entretien et les réparations si nécessaire....
... et n'oubliez pas de remplacer de temps en temps les fusibles mis en place sur l'installation pour protéger des surcharges ou des courts-circuits (on disait alors "changer les plombs" ou "les plombs ont sauté").
Le diamètre du fil était à choisir en fonction de l'utilisation :
2, 4, 6 ou 8 lampes de 40 W.
Cliquer sur l'image pour l'agrandir
On est loin des puissances domestiques installées à notre époque où une machine à laver consomme de l'ordre de 3 000 W à elle seule !
Vous vous sentez une âme d'expérimentateur ?
Si tel est le cas, essayez donc de refaire cette expérience "voltaïque".
Fabriquez une pile écologique d'une puissance limitée certes, mais capable de faire fonctionner votre réveil à affichage numérique !
Un bout de fil de cuivre, une plaquette de zinc, il y a là de quoi mettre en évidence les grands principes de l'électrochimie.
Ne ratez plus l'heure du réveil
Installation d'une sonnette électrique vers 1900
Chromo d'époque
Vers une production industrielle de l'électricité
Si l'énergie d'une pile est suffisante pour activer une sonnette ou un téléphone d'intérieur, il n'en est pas de même pour l'éclairage publique ou le fonctionnement de moteurs industriels de puissance.
A partir de 1870, de nombreuses entreprises vont se doter de moyens propres de production d'électricité pour faire tourner leurs machines en remplacement d'un matériel rustique et peu performant (roues à aubes, machines à vapeur) et améliorer ainsi la productivité.
Mais ces équipements fractionnés sont d'une gestion coûteuse et techniquement difficile et ne sont pas à la portée de la petite entreprise de taille familiale ou de l'artisant.
Les électriciens sont bien conscients de l'urgence de développer des techniques qui permettront de produire là où l'énergie primaire est disponible (près des cours d'eau, des grandes chutes naturelles comme à Niagara, aux pieds des mines de charbon, à partir de barrages artificiels,...) et de pouvoir transporter l'électricité dans les grands centres urbains et industriels situés souvent à plusieurs centaines de kilomètres, là où la demande est la plus forte.
Reste que ces techniques ne sont pas encore disponibles dans les années 1880 et qu'il faudra attendre encore 5 ou 10 ans avant de savoir maîtriser l'ensemble des problèmes liés à la distribution généralisée d'électricité.
Deux productions de nature totalement différente vont opposer partisants et détracteurs : Le courant continu et le courant alternatif.
Des démonstrations souvent médiatisées compte tenu des intérêts économiques sous-jassants vont être faites un peu partout dans le monde.
On peut évoquer les présentations faites par de nombreux inventeurs lors des Expositions Techniques citées plus loin, mais aussi les essais faits en France et à l'étranger :
- en 1883, l'éclairage des chutes du Niagara par Westinghouse et Tesla en courant alternatif.
- en 1886, l'essai de Marcel DEPREZ au cours desquels il va réussir à transporter du courant continu entre la gare de la Chapelle à PARIS et les Ateliers des Chemins de Fer du Nord à CREUIL -
51 CV (moins de 4 000 W) transportés sur 50 Km par une ligne en 5 000 V avec un rendement de 45 %.
Suite à l'Exposition de Paris de 1881, les premiers pionniers de l'électricité négocient avec leur municipalité l'installation de réseaux d'éclairage. A Beaurepaire par exemple, Louis MICHEL-VILLAZ, met en service l'une des premières installation de ce type en 1886.
Mais la technique progresse, le transformateur est inventé ainsi que le moteur "asynchrone" sans balais. La mise au point de machines produisant du courant électrique "triphasé" sonnera le glas de la distribution sur longue distance du courant continu.
Des installations prototypes vont être testées " en vraie grandeur" dans de nombreuses villes ou petites agglomérations, en général sur fonds privés et à l'initiative d'un entrepreneur qui voit dans l'électricité un facteur de progrès et sans doute aussi une source potentielle de revenu.
On peut citer en France par exemple le très bel exemple du réseau local installé vers 1888 entre DIEULEFIT et VALREAS, pas très loin de Montélimar et du château de GRIGNAN résidence de Mme de Sévigné.
Progressivement, les pays industrialisés vont commencer à construire des usines de production d'électricité de puissance capable d'alimenter des clients locaux et plus lointains.
Fabrezan (Aude) - 1907
Poste central de distribution
La mise au point de l'éclairage électrique (lampes à arc puis lampes à incandescence), va fustiger la demande.
Les expositions techniques organisées dans le monde sur le thème de l'électricité vont médiatiser ces techniques nouvelles et montrer à un large public les possibilités et les avantages de l'électricité.
L'Exposition de PARIS en 1881, celle de TURIN en 1883 vont donner l'occasion aux industriels de montrer leur savoir faire et aux ingénieurs de présenter leurs dernières inventions. Elles vont être un facteur déclanchant pour la mise en place de structures industrielles adaptées aux besoins et attentes de la clientelle.
Ensuite les choses vont s'organiser progressivement. Cliquez ici pour avoir un rappel de l'historique des grands évènements qui ont ponctué le développement de l'électricité industrielle.
La première compagnie publique de production d'électricité est sans doute née le 12 novembre 1881 à GODALMING en Angleterre.
Toute une industrie nouvelle va se développer à cette époque. Chercheurs et techniciens vont étudier et fabriquer, de façon artisanale puis en grande série, tous ces dispositifs qui nous sont aujourd'hui familiers : interrupteurs, douilles de lampes, prises de courant, fusibles, compteurs électriques, appareils de mesure et de contrôle etc.
A la veille de la Grande Guerre, ces accessoires sont disponibles dans des magasins spécialisés ou dans les Grandes Enseignes parisiennes et se vendent déjà en grandes quantités.
Cliquez ici pour découvrir quelques uns de ces objets primitifs aujourd'hui disparus.
Les Grands Magasins de Paris et des capitales du monde entier seront parmi les premiers utilisateurs de l'électricité. La lampe à arc et la lampe à incandescence de Monsieur Edison, vont permettre de mieux mettre en valeur les produits exposés tout en remplacement des lampes à pétrole et des becs de gaz dangereux.
Tout le monde avait en tête à cette époque, en effet, le souvenir de l'incendie de 1881 qui ravagea le PRINTEMPS éclairé alors par des lampes à gaz. La majeure partie du bâtiment avait été détruite, mais Jules Jarisot fondateur et visionnaire, imposera en 1888, l’éclairage de son nouveau magasin à l’électricité.
Le Bon Marché, sur cet exemple, va investir dans cette technologie innovante et installer pas moins de 800 lampes à arc et 6,000 lampes à incandescence !
Mais pour que ce système complexe fonctionne correctement, il va falloir inventer, développer et industrialiser des machines et systèmes pour produire de l'électricité de façon fiable, la transporter sur des distances longues et la distribuer à des milliers de clients abonnés.
Transformer l'énergie primaire en électricité
L'électricité est une source d'énergie dite secondaire car produite après transformation mécanique d'une énergie primaire (chute d'eau, combustible fossile, vent, force des marées,...).
Toutes les machines classiques productrices d'électricité sont des machines "tournantes" qu'il est nécessaire de coupler à un moteur pour les mettre en mouvement.
La dynamo
La première machine électrique commercialisée est, sans conteste, la dynamo qui produit du courant continu (Direct Current ou DC).
Sa conception est due à l'ingénieur belge Zénobe GRAMME (1826-1901) qui avait déposé vers 1869 un brevet sur un "générateurs à induit en anneau".
L'ingénieur italien Antonio PACINOTTI avait aussi imaginé de son côté, quelques années plus tôt, une génératrice du même type.
La dynamo est reconnaissable à son collecteur muni de balais.
L'image de droite montre une dynamo industrielle datant des années 1900.
Cette machine fournissait du courant continu, sans doute pour l'éclairage, dans une usine de fabrication de tissus pour cravates à Panissière dans la Loire.
On voit très bien le collecteur et les balais sur la partie droite de l'arbre.
Cette dynamo était entrainée par une machine à vapeur reliée par une courroie (poulie manquante sur l'arbre à gauche).
L'image de gauche montre une dynamo de type Rechniewski. Ce type de machines construites en France était connu pour son bon rendement.
Le modèle en photo équipait une usine de coutellerie à Thiers (63) et il était mu par une turbine hydraulique.
Mais il existe bien d'autres types de machines parmi lesquelles on peut citer celles d'Edison, de Siemens, Victoria-Brush, Crompton, Bréguet, SACM, Thomson-Houston, Fritsche, etc , chaque constructeur apportant une innovation de nature à améliorer les performances de ces matériels.
L'alternateur
L'autre machine de référence en matière de production d'électricité est L'alternateur qui lui produit du courant alternatif (Alternating Current ou AC).
Le principe de cette machine a été proposé par Faraday vers 1831 et quelques années plus tard Pixii construira le premier générateur de courant alternatif. Mais il faudra attendre la machine de l'Alliance pour voir une première application pratique de l'alternateur.
Les premières machines industrielles monophasées datent des années 1880.
Il faudra attendre encore une dizaine d'années pour voir apparaître les premières machines polyphasées (diphasées mais surtout triphasées) qui vont donner au courant alternatif ses titres de noblesse.
On peut citer parmi les premières réalisation de puissance, les machines développées par Westinghouse à partir des idées de Nicloas Tesla et installées à Niagara vers 1892.
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Les 2 photos ci-dessus montrent un appareil qui est une "magnéto d'appel" pour téléphone. Cette petite machine actionnée à la main en tournant la manivelle, est un alternateur. Le champ magnétique est ici produit par des aimants permanents (barres rouges en fer à cheval).
Cette machine ne comporte ni balais ni collecteur, contrairement à la dynamo que nous avons vue ci-dessus.
Dans cet appareil l'inducteur (les aimants) est fixe et l'induit tourne (bobinage interne).
Les machines industrielles de puissance sont en général de conception inversée avec un inducteur tournant (appelé le rotor)et un induit fixe (appelé le stator).
Comment faire tourner la dynamo ou l'alternateur ?
Les machines tournantes de production d'électricité peuvent être entrainées par différents systèmes :
- une chute d'eau (barrages hydrauliques),
- une machine à vapeur ou une turbine à vapeur,
- un moteur thermique (à pétrole ou à gaz),
- une éolienne,
- sans oublier non plus la force humaine (dynamo de vélo, radio à manivelle).
Le couplage entre la machine d'entraînement et la machine électrique peut être direct - dans ce cas les 2 machines tournent à la même vitesse, ou se faire par l'intermédiaire d'une liaison mécanique (courroies, engrenages, variateur hydraulique, ...) et dans ce cas la vitesse de rotation des 2 machines peut être différente.
L'eau a été historiquement la première source d'énergie primaire - la première force motrice - utilisée pour actionner les dynamos et produire de l'électricité au niveau industriel.
En France, le 30 septembre 1869, Aristide BERGES relevait un pari audacieux :
Dans la combe de Lancey, proche de Grenoble, il mettait en eau la plus grande conduite forcée jamais réalisée dans les Alpes. Canalisée sur un dénivelé de plus de 200 mètres, la chute d'eau allait fournir l'énergie nécessaire à l'industrie papetière de Lancey.
La houille blanche, ainsi dénommée par Bergès lui-même venait de naître.
L'image montre une turbine de type PELTON utilisée sur les chutes d'eau de grande hauteur. Lorsque la hauteur de chute est limitée à quelques mètres comme cela est le cas sur des installations au fil de l'eau, les turbines de type KAPLAN ou FRANCIS à axe vertical sont en général installées.
Dans le cas de hautes chutes, l'arrivée de l'eau à la turbine nécessite l'installation de conduites forcées, énormes tuyaux d'acier de forte résistance, capables de supporter la pression élevée de l'eau qui peut dépasser la centaine de bars.
Conduite forcée - Glomfjord - Norvège
Travaux d'entretien vers 1900
Photo Norsk Hydro
La centrale de Chardes, sur la Vienne, construite vers 1925, est très représentative des installations au fil de l'eau.
La Dordogne, fleuve au débit important qui draine les eaux du Massif Central, est aussi aménagée avec de nombreux barrages hydroélectriques dès le début du 20ième siècle. La Centrale de Tuilières, près de Bergerac, en est un témoin historique.
Autre exemple, l'usine de Cusset près de LYON sur le Rhône, classée aujourd'hui monument historique, et encore en production bien que centenaire !
Le barrage de Sauviat, près de Thiers, en Auvergne, est aussi un exemple de grands barrages c'est à dire de retenues d'eau de plus de 15 m de hauteur qui seront construites en France, dès la fin du 19ième siècle, pour produire de l'électricité.
Le barrage de Guerlédan en Bretagne dont la construction dans les années 1925 a transformé l'exploitation du canal de Nantes à Brest, est assez représentatif de la gestion de ces projets hydro-électriques régionaux au siècle dernier et de leur impact sur l'économie locale.
En France, l'électricité d'origine hydraulique ne couvre de nos jours qu'une faible partie des besoins. Des pays très riches en cours d'eau comme le Canada, arrivent encore aujourd'hui à satisfaire leurs besoins en électricité en exploitants des centrales hydrauliques de très grande taille installées sur les grands fleuves tel le Saint-Laurent au Québec.
Là où il n'y a pas d'eau en quantité suffisante, la force de détente de la vapeur va être utilisée dans des machines à vapeur où l'énergie primaire sera d'origine fossile (charbon, lignite, tourbe, pétrole) ou végétale (bois, paille, canne à sucre,... ). Les besoins en électricité et les capacités techniques industrielles conduiront rapidement à construire des machines de plus en plus grosses, de plus en plus fiables et performantes sur le plan du rendement énergétique.
Les moteurs thermiques dits "à explosion" seront aussi utilisés pour actionner dynamos et alternateurs :
- moteur à gaz pauvre (gazogène),
- moteur à gaz de ville,
- moteur à pétrole lampant ou huile lourde, 2 temps, 4 temps, diesels,
- moteur à essence (gazoline)
Suivant la vitesse de rotation de ces machines (moteurs lents de 150 à 800 t/min ou rapide jusqu'à 1000 ou 2000 t/min), la machine électrique sera couplée par des systèmes de transmission à courroie ou directement liée mécaniquement à l'arbre moteur (groupe électrogènes).
Les premières installations permettront de faire fonctionner des génératrices électriques à usage privé (usines) ou celles des premières sociétés de distribution (éclairage public et alimentation domestique).
Après la Grande Guerre, les producteurs d'électricité, regroupés en grosses compagnies vont construire des installations de puissance de plus en plus grande, pour fournir cette énergie dont la demande va augmenter de façon exponentielle atteignant jusqu'à un doublement tous les 10 ans.
La centrale thermique au charbon de Battersea à Londres est un exemple des installations construites en Angleterre dans les années 1930. Son architecture unique l'a faite classer aujourd'hui monument historique.
Entre 1880 et 1895, les progrès de l'électricité sont considérables à tel point que la traction électrique devient possible pour le matériel ferroviaire. Le Métro parisien va donc, dès 1900, devenir un gros utilisateur d'électricité. Imaginez à l'époque l'apport quasi révolutionnaire de cette nouvelle forme d'énergie qui va permettre d'activer de puissants moteurs électriques capables de faire rouler les rames de métro, sans dégagement de gaz polluants, en toute sécurité et avec une disponibilité remarquable ! une révolution pour ce moyen de transport essentiellement souterrain. Les Sociétés du Métropolitain vont investir dès cette époque, dans la constructions de grandes stations de production d'électricité réservées uniquement à leurs besoins propres. La Compagnie du Chemin de fer Métropolitain de Paris (CMP) inaugurera la première installation de ce type, construite à Bercy, en 1901 soit un an après la mise en exploitation de la première ligne de métro qui, rappelons-le, avait été inaugurée pour la Foire Universelle de Paris de 1900.
Le "tube" de Londres (1863), premier moyen de transport en commun construit dans le monde, fonctionnaient à l'origine avec une traction à vapeur. C'est sans doute pour cette raison que l'Underground qui signifie souterrain, circule en fait à 50% en surface. On peut imaginer les inconvénients liés à ce mode de traction qui avait nécessité d'installer de puissants dispositifs pour évacuer les fumées des locomotives (cheminées et gaines de ventilation disposées tout au long du trajet). Un système de locomotives à condensation sera mis en place par la suite : les fumées sont retenues dans les tunnels et expulsées sous des puits, ce qui obligeait le stationnement des trains à des emplacements bien précis. Le réseau ne sera électrifié qu'en 1890. Les métros de Budapest (1896 - deuxième plus ancien métro d'Europe après celui de Londres) et New-York (1904), profiteront dès l'origine de la traction électrique.
Le développement des réseaux de distribution de courant
Certes, nous sommes loin des grandes centrales actuelles de plusieurs milliers de méga-watts de puissance, mais il existe déjà au début du 20ième siècle des installations de taille industrielle.
Le courant est distribué par un réseau aérien et sous-terrain (à Paris par exemple), d'abord dans les villes puis, beaucoup plus tard, dans les campagnes. Souvenez-vous qu'en France, l'Electricité est souvent arrivée dans nos campagnes vers 1930 et qu'en 1950, certains villages isolés n'en étaient pas encore pourvus.
Les propriétaires d'appartements à louer vont pouvoir afficher sur les façades, "ICI EAU, GAZ, ELECTRICITE A TOUS LES ETAGES".
L'électricité entre progressivement dans les foyers au fur et à mesure du développement des réseaux de distribution, d'abord dans les quartiers riches des grandes villes comme PARIS, puis dans les zones plus populaires.
En 1920, il était déjà possible d'installer un chauffage électrique à la maison.
Ne sont-ils pas beaux ces radiateurs à 4 lampes radiantes, pour appartement (4 Bulb Dowsing Heater) ? A 2 allures de chauffe précise la publicité. Sur l'image de droite, on voit les lampes à rayonnement infrarouge en fonctionnement.
Courant continu ou courant alternatif ?
On ne peut répondre à cette question sans avoir une vision élargie des problèmes liés à l'utilisation généralisée de l'électricité. Traiter de l'ensemble du sujet demanderait bien des pages. Cliquez ici, pour avoir accès à un résumé des problèmes techniques que les ingénieurs de la fin du 19ième ont eu à résoudre.
Si un peu avant 1880, les pionniers de l'électricité commencent à exploiter commercialement des réseaux locaux en courant continu, des chercheurs comme Nicolas TESLA, montrent, quelques années plus tard, que le courant alternatif est une solution technique bien meilleure et bien plus souple pour le transport à grande distance de cette énergie nouvelle.
Entre 1880 et 1900, une véritable bataille technico-économique va dès lors se dérouler entre partisants du Courant continu (DC) et du courant alternatif (AC).Thomas Edison contre George Westinghouse aux USA, Marcel Deprez contre Lucien Gaulard en Europe avec pour arbitre Galileo Ferraris qui développe le moteur à champ tournant, (moteur asynchrone polyphasé sans collecteur), universellement utilisé de nos jours et des chercheurs comme Zipermowsky en Hongrie qui va mettre au point des composants indispensables à la gestion des réseaux (transformateur, moteur synchrone, ...).
Et tout ces développeurs vont montrer leur savoir faire lors des grandes expositions internationales de l'époque (Paris en 1881, 1889 et 1900, Turin en 1883, Chicago en 1893 pour ne citer que les principales).
Ils vont tester quelques installations prototypes en vraie grandeur en France, Allemagne, Angleterre et bien d'autres villes d'Europe et des Etats-Unis.
Les tensions seront tellement fortes entre électriciens que les membres de l'équipe AC, mécontents du trop de place laissé aux travaux de Deprez lors de l'Exposition de Paris de 1881, iront jusqu'à quitter l'exposition pour se réunir en un Congrès international des électriciens autonomes et ainsi mieux guetter les défaillances éventuelles de l'équipe DC !
En 1891, la liaison Lauffen-Francfort mettait fin à cette phase importante de tâtonnements et imposera le courant alternatif triphasé comme moyen universel de transport à grande distance du courant électrique.
Les Sociétés d'Electricité commenceront alors à installer des alternateurs qui produiront du courant alternatif.
On voit ici une machine de ce type équipée de son excitatrice en bout d'arbre.
Mais pourquoi avons-nous du 220 V ?
On peut s'étonner de voir une telle valeur, alors que les électriciens, plutôt du genre matheux auraient dû proposer une valeur simple comme 200 V ou 100 V. Y a-t-il une raison technique à ce choix ? Est-ce le résultat d'un calcul technico-économique savant ?
Cliquez ici pour connaître les origines de ce choix, aujourd'hui quasi universel.
Rappelons enfin que la circulaire ministérielle d'avril 1918 dont nous reparlerons plus loin au titre de la fréquence, précisait les niveaux de tension à retenir pour les différents réseaux Basse tension (BT), Moyenne tension (MT) et Haute tension (HT).
On retrouve bien sûr les tensions de 110/115 V et 220/230 V, pour le "courant alternatif simple" puis 500, 1 000, 3 000, 5 500 V en MT et enfin 10 000 et 15 000 V en HT. Il n'est pas question à cette époque bien sûr, de 400 KV voire de 700 KV (Canada) ou plus (Mise en service d'une ligne en 1 200 KV en 2009 au Japon).
Quelle valeur pour la fréquence ?
Vous savez que de nos jours le courant électrique est, en France et dans toute l'Europe, du courant alternatif à 50 Hz (Hertz = Hz).
La fréquence en Hertz (ou période par seconde) se mesure à l'aide d'un fréquencemètre, nouvel outil de l'électricien après le voltmètre et l'ampèremètre.
Aux Etats-Unis et au Canada, on va trouver du 60 Hz. Le japon a, pour des raisons historiques, 2 réseaux séparés l'un en 50 Hz et l'autre en 60 Hz.
Mais il n'en a pas toujours été ainsi et quantité d'autres choix ont été faits dans le passé par les producteurs d'électricité de par le monde.
Avant que les réseaux soient interconnectés, chaque producteur indépendant avait le choix de la fréquence de sa fourniture.
Coexisteront vers 1890 aux Etats-Unis par exemple des réseaux locaux qui fonctionnaient aux fréquences suivantes :
- 133 1/3 Hz à la Wood arc-lighting dynamo
- 125 Hz, 40 Hz, 33 Hz chez General Electric en mono-phasé ou poly-phasé
- 66.7 Hz à la Stanley-Kelly company
- 27 Hz à la Crocker-Wheeler for calcium carbide furnaces
- 25 Hz chez Westinghouse Niagara Falls en bi-phasé
Les premiers producteurs français feront aussi le choix de différentes fréquences qui couvriront, vers 1900, une plage allant de 16 Hz à 133 Hz.
Si aujourd'hui tout cela a disparu, souvenons-nous qu'on trouvait encore après la deuxième guerre mondiale, du 42 Hz en Tchécoslovaquie, Hongrie, Roumanie, Yougoslavie, Libye (Tripoli) ainsi qu'en Italie et au Portugal.
Pourquoi une telle diversité de fréquence pour le courant alternatif domestique et industriel ?
Il faut savoir que la fréquence du courant est proportionnelle à la vitesse de rotation des alternateurs et au nombre de pôles de ces machines.
Les techniciens aimant bien les chiffres ronds, se sont callés, au départ de leurs études sur les vitesses de base des machines d'entrainement (turbines hydrauliques, machines à vapeur, moteurs thermiques, ...).
Pourquoi ne pas retenir des valeurs simples comme 100 t/min ou 250, ou 1000 ou 1800 t/min, ..... au lieu de vitesses quelconques. Vous auriez choisi 1234,56 t/min vous ?
Cette association de la vitesse et de la fréquence était tellement vraie dans la prériode d'émergence des machines de production de courant alternatif, que les techniciens de l'époque utilisaient comme unité pratique de fréquence non pas le Hertz qui se réfère à la seconde, mais le nombre d'alternance à la minute.
Ainsi, Westinghouse construisait vers 1890, des alternateurs qu'il couplait à des machines qui tournaient à une vitesse standard de 2,000 t/min. Dans ces conditions, les alternateurs 8 pôles donnaient un courant de "fréquence" 16,000 alternances/min soit 133Hz 1/3. Thomson-Houston avait adopté une fréquence de 15,000 alternances par minute soit 125 Hz.
D'autres facteurs importants ont été pris en considération par les constructeurs :
- pour une fréquence donnée, le nombre de pôles de la machine électrique devra être d'autant plus grand que la vitesse de rotation est basse. Si par exemple vous voulez faire du 50 Hz avec une machine qui tourne à 3,000 t/min il suffira d'une paire de pôles, par contre si la machine doit tourner vers 150 t/min, il faudra installer 20 paires de pôles ce qui est plus complexe.
- Toutes les combinaisons ne sont pas possibles et certaines sont plus intéressantes que d'autres.
- L'augmentation du nombre de pôles est une complication technologique certes, mais aussi conduit à concevoir des machines de grand diamètre,
lourdes en masse de fer et de cuivre et difficiles à équilibrer dynamiquement. Les vibrations à craindre seront un facteur important vis à vis de la durée de vie et des usures mécaniques de ces machines.
- Si on regarde le fonctionnement des moteurs associés à des courants de différentes fréquences, on s'aperçoit que Le 60 Hz limite la vitesse à 3600 t/min (1 paire de pôles) ,
mais offre de nombreuses combinaisons comme 1800 t/min (n=2), 1200 t/min (n=3), 900 t/min (n=4) etc , alors qu'une fréquence de 25 Hz limite la vitesse à 1500 t/min et permet des vitesses de 750, 500, 250, ...
La diversité des fréquences utilisées au début de l'invention du courant alternatif, avait donc souvent pour origine l'utilisation du courant : une fréquence inférieure à 25 Hz ne convenait pas à l'éclairage à arc ou à incandescence (scintillement des lampes), le 25 Hz convenait bien aux commutatrices, le 50 ou 60 Hz convenait très bien aux alternateurs couplés en direct sur des moteurs rapides (turbines à vapeur, moteurs à explosion) et comme source de courant pour les moteurs électriques polyphasés.
Les images ci-après montrent les dessins de machines multipôles des années 1900.
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La machine de gauche est une machine de conception GANZ-ZIPERNOWSKI produite par les Ets Schneider au Creusot. Elle comporte 5 paires de pôles et fournissait du 42Hz pour une vitesse de rotation de 830 t/min. Pour une puissance de 400 à 500 kW, elle mesurait plus de 2 m de diamètre.
La machine de droite est une machine de conception HILLAIRET. Elle avait 40 paires de pôles et mesurait pas moins de 6 m de diamètre pour une puissance de 450 kW. Elle tournait à 60 t/min et était actionnée par une machine à vapeur.
Les alternateurs actuels de plus de 1000 MW (1 000 000 kW) seraient irréalisables dans ce type de technologie bien sûr !
Quelles sont les gammes courantes de vitesses de rotation des machines d'entrainement vers 1900 ?
Les turbines hydrauliques sont des machines lourdes qui tournent très lentement à quelques centaines de tours par minute au maximum. Une vitesse de rotation de 250 à 700 t/min est une vitesse courante pour des moteurs diesel de type marine ou traction ferroviaire. Par contre les turbines à vapeur actuelles tournant beaucoup plus vite, à 1500 ou 3600 t/min n'existent pas encore.
Le tableau ci-après résume les principales options techniques retenues par divers constructeurs. Il montre que le nombre de pôles des alternateurs est vite très grand si la vitesse de rotation est lente et la fréquence plutôt dans la gamme haute.
Il fait apparaître que le choix du 50 Hz en Europe (ou 60 Hz aux US) est le résultat d'une optimisation technicoéconomique qui favorise sans doute les vitesses de rotation élevées et donc convient parfaitement à des entrainement par turbine à vapeur.
Fréquence et vitesse de rotation des alternateurs installés en Europe depuis le début du 20ième siècle
Les chemins de fer allemands et suisses utilisent encore de nos jours, pour des raisons technico-historiques, un réseau à 16 Hz 2/3 (normé à 16,7 Hz) fréquence qui correspond au tiers de 50 Hz. Le courant est monophasé et correspond à une vitesse de 1000 t/min, chiffre rond qui peut-être une explication du choix. Il circule sur un réseau séparé non interconnecté au réseau européen à 50 Hz.
Cette fréquence spécifique conduit les producteurs à fabriquer directement ce courant (souvent d'origine hydrauliques dans les Alpes) ou à convertir du courant à 50 Hz en 16,7 Hz à l'aide de convertisseurs (par exemple moteur asynchrone 50 Hz couplé sur le même arbre à un alternateur 16 Hz 2/3).
La centrale de Neckarwestheim dans le Bade-Wurtemberg par exemple exploite un des plus gros moteur asynchrone du monde et un énorme alternateur de plus de 150 MW.
Exemple d'alternateur de forte puissance (partie bleue claire du Groupe turbo-alternateur)
1300 MW - 1500 t/min - 50 Hz triphasé
au premier plan la partie excitation et règlage de puissance
Dans le domaine de l'aéronautique, on utilise du courant à 400 Hz (en général réseau 100/200 V 400 Hz triphasé), l'augmentation de la fréquence permettant de réduire la masse des circuits magnétiques des machines et transformateurs. Cette fréquence n'est cependant pas technico-économiquement utilisable sur les grands réseaux de distribution pour des transports du courants à longue distance ce qui limite son emploi sur des réseaux courts comme c'est le cas sur un aéronef.
En conclusion, on peut dire que contrairement au choix du courant (AC/CC) qui avait été très conflictuel, le choix de la fréquence n'a pas donné lieu à pareil phénomène. Comme le rapporte un article de la Revue générale d'Electricité de mars 191 :
En règle générale, aucun constructeur n'a fait de faveur irraisonnée pour une fréquence quelconque, mais tous ont cherché à tirer le meilleur parti de chaque système.
Le législateur veille et oriente !
Pour conclure ce chapitre, précisons qu'une circulaire ministérielle d'avril 1918 envoyée par Le Ministre des Travaux Publics et des Transport de l'époque, M. Claveille, aux Ingénieurs en Chef du Contrôle des Distributions d'Energie Electrique propose que la fréquence du courant (triphasé) soit fixée à 50 Hz en France et précise les niveaux de tension à retenir pour les différents réseaux (BT, MT, HT).
Cette directive prenait en compte trois cas de figure :
- les réseaux à reconstruire dans les régions dévastées par la guerre (par l'ennemi disait le texte original ! ),
- les réseaux en fonctionnement dans les autres régions,
- enfin les réseaux nouveaux à construire.
Cette circulaire attirait l'attention des producteurs sur l'intérêt de cette uniformisation qui permettrait de relier les réseaux entre eux et de se porter mutuellement secours et de faire baisser les coûts d'investissement et les délais.
De plus cette circulaire n'excluait pas l'emploi du courant continu et des courants alternatifs mono ou diphasés de fréquence inférieure à 50 Hz, quand les réseaux existaient déjà.
Il faudra attendre les années 1950 pour voir l'aboutissement de cette directive.
Pour plus d'information se reporter à la Revue Générale d'Electricité du 24 mai 1918, qui faisait une très bonne synthèse du sujet.
Vers les grands réseaux interconnectés
Rien n'est encore figé au début du XXième siècle, en matière de production industrielle et de distribution généralisée de l'électricité, mais les électriciens se rendent vite compte qu'il est nécessaire de normaliser l'activité électrique et de donner des règles de standardisation et de conduite applicables au plan international.
Ils se rendent compte aussi que la production massive d'électricité pose des problèmes techniques difficiles dus en particulier au fait que l'électricité ne se stocke pas et qu'il faut la fabriquer au moment où l'utilisateur en a besoin et que des problèmes de stabilité dynamique, qui rendent les grands réseaux fragiles, sont à traiter au niveau d'un pays voire d'un continent entier.
Ceci conduit rapidement à la mise en place entre sociétés concurrentes de règles de conduite précises visant en particulier entraide mutuelle en cas de pénurie de production et à une organisation de "réseaux interconnectés" entre sociétés de façon à disposer d'une possibilité de transit d'énergie en cas de besoin.
Vous voyez qu'une invention ne va jamais seule !
Au fait !! l'électricité on ne sait pas forcément ce que c'est, mais ça marche !!
... et nous allons nous en servir pour la Radio.
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Lignes électriques - Montréal - Québec
Sources :
- Pour les vignettes anciennes : Les forces physiques de Achille CAZIN - Librairie HACHETTE - Paris 1871
- Pour les plans de machines électriques : Guide-manuel pratique de l'ouvrier électricien de H. de Graffigny - Librairie H. DESFORGES - Paris - 1914
- L'Electricité au foyer - René BROCARD - Editions de la Science et de la Vie - Paris - 1923
- Les poissons à Oléron - cabuzel.com/oleron
- La planète Electricité - Nicolas SKROTZKY - Editions Hologramme - 1984
- le site wikipedia : Fréquences des courants industriels
- Les Revues Générales de l'Electricité de 1918 - Tome III N° 21 et suivantes
Pour plus de renseignements sur la construction et le fonctionnement des machines électrostatiques se reporter au site suivant : http://www-physique.u-strasbg.fr/~udp/articles/wimshurst/wimshurst.htm