Dispositif Musée Collège, Lycée

L’Électricité au Musée des Arts et Métiers

Le Règne de L’Electricité, couverture du livre de Gaston Bonnefont, 1895.

La Fée Electricité, Raoul Dufy, 1937.

Introduction à la vie moderne

L’Exposition Universelle de 1937 à Paris depuis le Palais de Chaillot avec le pavillon de l’Allemagne nazie et celui de l’URSS communiste se faisant face.

Nous sommes en 1937, plus exactement à l’exposition universelle qui a lieu à Paris. Aux expositions universelles on présente les dernières technologies, les derniers progrès techniques, ceux qui arrivent à peine, voir pas encore, dans les usines, dans les maisons. On y montre "le monde de demain". Dans celle -ci on peut y voir, entre autres, des phares électriques, des machines électrostatiques pouvant délivrer jusqu’à 5 millions de volts, le plus grand disjoncteur du monde de 500000 volts, des fêtes nocturnes illuminées par des lampes à incandescence… et surtout cette magnifique fresque de Raoul Dufy, La Fée Electricité.

Pourtant, rien de très nouveau là-dedans. L’électricité, pas encore tout à fait banale comme actuellement, est néanmoins bien installée dans les rues, les bâtiments publics, les usines, les lieux de spectacles ou de loisirs et déjà de nombreux foyers s’éclairent à la lampe à incandescence dans toute la France. Bien sûr, de nombreux progrès restent à faire en électricité pour arriver à notre société moderne, mais on peut dire qu’à ce moment-là, tout est déjà bien avancé, tout est déjà bien présent dans l’esprit des gens pour que nous vivions dans une société où l’électricité occupe une place prépondérante dans notre quotidien. Il s’avère que cette exposition universelle est un peu particulière, elle a pour thème "Arts et Techniques". Elle a pour but de montrer que le beau et l’utile doivent être liés, que beauté rime avec confort.

Affiche de l’Exposition Universelle de 1937 à Paris.

Dans un contexte de crise qui mènera à la seconde guerre mondiale, l’exposition se veut une ode à la technique pour l’épanouissement des peuples, une lumière pour la paix. Tout comme la fresque de Dufy, l’exposition est une rétrospective moderne de tous les éléments, les techniques, les progrès qui nous ont amené à la société que nous connaissons actuellement. C’est un dernier hommage à la Fée Electricité, son chant du cygne en quelques sortes. Le pont Alexandre III illuminé lors de l’Exposition Universelle de 1937 à Paris.

Bientôt, la seconde guerre mondiale, les progrès techniques fulgurants, vont faire de cette fée, qui représente le progrès, la magie des nouvelles technologies, une servante docile que tout le monde commande de chez lui grâce à un interrupteur, sans même y penser. Mais que faut-il à une société pour fournir la lumière électrique à ses foyers ? On peut résumer ces nécessités en trois points : une source d’électricité puissante et durable, un système d’éclairage et un réseau permettant d’acheminer cette source à ce système. Penchons-nous sur quelques personnages de la fresque de Dufy, des hommes qui, grâce à leur génie, leur sens de l’observation ont pu donner naissance à cette fameuse fée.

Un peu d’histoire... Vers l’an 600 avant Jésus Christ, le célèbre Thalès de Milet observe en frottant de l’ambre jaune (elektron en grec ancien) que celui-ci attire les petites particules. Pour lui, l’ambre possède un souffle, une âme qui aspire les substances.

Détail de la Fée Electricité.

Bijoux d’ambre.

Décrivez une expérience mettant en évidence ce phénomène : ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………. Puis, plus rien jusqu’au 17ème siècle, si ce n’est vers 1250, Roger Bacon qui se livre à quelques expériences sur l’ambre et la magnétite. Les phénomènes électriques atmosphériques trouvent des explications religieuses (comme les feux de Saint-Elme apparaissant en haut des mats des navires). Détail de la Fée Electricité.

Feu de Saint-Elme, 1886.

En 1600, William Gilbert (1600) médecin de la reine Elisabeth 1er établit la différence entre les phénomènes dus à l’ambre (étendus au diamant, verre, resine, alun…) qu’il nomme électricité (ambricité en France) et ceux dus aux aimant (magnétite : pierre de Magnésie, ville d’Asie Mineure) en étudiant les attractions et répulsions ainsi que la déviation d’une légère aiguille sur un axe.

William Gilbert.

La folie électrique ou l’avènement de l’électrostatique Otto Von Guericke maire de Magdebourg, crée la première machine électrostatique en 1670. Il étudie les attractions et répulsions de boules de soufre (pensant que ce phénomène régissait également le mouvement des planètes). C’est le début de la production d’électricité statique, d’étincelles. En 1746 Van Muschenbroek (1746) invente la Bouteille de Leyde. Il s’agit en quelques sortes du premier condensateur. On peut enfin stocker de l’électricité en "bouteille" et s’en servir au besoin. Néanmoins, ces bouteilles se vident instantanément, on ne peut contrôler leur débit. Quelle que soit la quantité d’électricité que contient ces bouteilles (parfois assez pour tuer un homme), elles sont d’usage unique avant de les recharger à l’aide d’une machine électrostatique. Les cabinets de physique de L’Abbé Nollet vers 1750 participent à l’engouement pour les phénomènes électrique en créant de véritable spectacle avec des expériences impressionnantes (chaines électriques, animaux électrocutés…). La folie électrique s’empare des cours des rois d’Europe à l’époque des lumières. Benjamin Franklin en 1747 étudie l’électricité atmosphérique. Il affirme la nature électrique de la foudre à l’aide d’un cerf-volant relié à une bouteille de Leyde. Il découvre le pouvoir des pointes et invente le paratonnerre.

Expérience de Franklin.

Expérience de Von Guericke.

A l’aide de vos connaissances actuelles sur la matière (un atome est composé d’un noyau chargé positivement avec un nuage d’électrons chargés négativement autour) réinterprétez l’expérience de l’électrisation de la "chaine de l’Abbé Nollet" par la bouteille de Leyde. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………...

Principe de la bouteille de Leyde.

Expérience de la chaine électrifiée de l’Abbé Nollet.

Revenons à nos moutons électriques : les sources d’électricité Nous avons bien compris qu’une bouteille de Leyde, aussi puissante soit-elle et quelle qu’en soit la contenance, ne puisse convenir à une distribution constante et durable d’électricité.

La pile Galvani (1780) produit à l’aide d’étincelles des contraction sur des grenouilles (même fraichement mortes). Lors d’une mise en contact du crochet de cuivre avec un balcon en fer, il observe une agitation de la cuisse de la grenouille morte. Pour lui, un fluide électrique se trouve dans les muscles qui agissent comme des petites bouteilles de Leyde (conception physiologiste). Expérience de physiologie électrique.

Volta (1800) contredit Galvani (mort deux ans plus tôt) et attribue au métal la capacité de générer de l’électricité et invente la pile Zinc-Cuivre et Zinc-Argent avec des tampons de draps imbibés d’eau salée ou acidulée. Volta présente sa pile à l’institut de France devant Napoléon Bonaparte, c’est un succès. Volta présente sa pile à l’institut de France.

L’utilisation principale de la pile à ce moment-là est principalement l’électrolyse, technique consistant à séparer les ions dans une solution en y appliquant un courant nécessairement continu (les électrodes positives et négatives ne doivent pas alterner). Humphry Davy (1807) découvre le potassium par électrolyse. Il a pu isoler et nommer par la suite plusieurs éléments jusqu'alors inconnus : Sodium, Baryum, Strontium, Chlore, Iode, Calcium. Par la suite, grâce aux progrès de la pile électrique (pile Daniell, pile Leclanché, accumulateurs Planté), d’autres applications apparurent pour les piles (alimentation de lampes à arc, de moteurs de véhicules, de télégraphes, de téléphones, de galvanoplastie…). Néanmoins les piles fournissant un courant constant et continu mais de faible puissance, il fallait en associer beaucoup en batterie (dans les sous-sols par exemple) pour pouvoir délivrer les puissances nécessaires. En 1813, sous l’impulsion de Napoléon 1er, on construit à l’école Polytechnique une pile de 600 couples débitant du 500V. Batteries de piles à l’école Polytechnique

Toute fonction électrique devait être alimentée par une production locale, onéreuse et peu pratique. Les piles, peu puissantes et à capacité limitée, ne pouvaient convenir à une distribution d’électricité à grande échelle.

Les machines électromagnétiques : la solution Hans Christian Oersted (1819) applique un courant électrique près d’une boussole, et observe une déviation de son aiguille. Arago remarque que du fer s’aimante à proximité d’un courant électrique. Ampère (1820) met en évidence les propriétés magnétiques du courant et établit les lois de l’électromagnétisme. Il imagine l’électroaimant (qui mènera au télégraphe et au moteur électrique). Celui-ci sera mis au point par William Sturgeon en 1825. Un électroaimant est un noyau de fer magnétisé par une bobine de fil conducteur alimentée par un courant électrique. Ils seront très importants dans la conception des télégraphes et dans l’efficacité des moteurs électriques et des alternateurs (producteurs de courant alternatif).

L’expérience d’Oersted.

1831, Faraday découvre l’induction électromagnétique : le mouvement d’un aimant à proximité d’une bobine de fil conducteur crée un courant électrique dans cette bobine. Ce courant circule dans l’un ou l’autre sens selon qu’on approche ou qu’on retire l’aimant de la bobine. 1834, Thomas Davenport conçoit le premier moteur électrique utilisable industriellement (d’abord avec des aimants permanents, puis avec des électroaimants). Les premières utilisations seront le transport, le perçage de métaux, le tournage de bois.

Détail de la Fée Electricité.

1871, Gramme construit sa dynamo (alimentées par des moteurs à vapeur). C’est la première génératrice assez puissante et stable. Elle produit du courant continu (le seul dont on envisage à l’époque des applications) , remplace les piles dans la galvanoplastie, est utilisée dans l’éclairage des phares, des lampes à arc. Cette dynamo connait un succès phénoménal et vient alimenter de nombreux ateliers et usines, elle est à l’origine de l’électricité industrielle. Gramme dans son laboratoire.

1885, Nicola Tesla met au point l’alternateur en travaillant pour Edison (pourtant fervent défenseur du courant continu), face à l’ingratitude d’Edison (qui ne voit en lui qu’un concurrent, se fourvoyant dans l’alternatif), il démissionne. Il travaillera quelques années plus tard pour Westinghouse, donnant naissance à des réseaux de distribution en courant alternatif. Indiquez les conversions d’énergie ayant lieu dans cette maquette de démonstration :(Musée des Arts et Métiers) ………………………………………………………………. ……………………………………………………………….

L’éclairage électrique : modernité et confort Les débuts : la lampe à arc Devant les inconvénients de l’éclairage au gaz ou à la lampe à pétrole (chaleur, odeur, noircissement..), on tente, à la lueur des nouvelles découvertes, de trouver de nouveaux moyens d’éclairage. Découverte de l'arc électrique par le chimiste anglais Humphry Davy, en 1809, qu’il avait obtenu après avoir amené en contact deux baguettes de charbon reliées aux deux pôles d'une batterie d'éléments Volta. Entre les deux baguettes se produisit une flamme qui s'incurva en forme d'arc de cercle sous l'effet du courant d'air chaud ascendant, c'est pourquoi il donna à cette flamme le nom d'arc électrique, nom qui fut conservé depuis.

Eclairage de la place de la concorde par une lampe à arc.

En 1844 Léon Foucault éclaire la place de la Concorde avec une lampe à arc. Rapidement on éclaire les bâtiments publics, les théâtres, les opéras et également les chantiers pour travailler plus tard (travail au noir qui signifie travail la nuit). Les problèmes de la lampe à arc, c’est qu’elle ne convient pas aux espaces restreints (trop éblouissant) et que les charbons s’usent, limitant le temps d’éclairage. Il nous faut trouver autre chose pour l’éclairage domestique.

La lampe à incandescence : lumière douce et festive En 1827, Georg Ohm établit la loi qui relie la tension à l’intensité par la résistance électrique du matériau. Cette résistance elle-même dépend du matériau utilisé et est d’autant plus élevée que la longueur du conducteur est grande et que sa section est petite. En 1840, James Prescott Joule met en évidence la perte sous forme de chaleur d’une partie de l’énergie électrique qui traverse un conducteur. Cette perte est d’autant plus élevée que la résistance de ce conducteur est grande et que l’intensité qui le traverse est élevée. A partir d’une certaine température, ce conducteur va émettre de la lumière visible. Ce conducteur qui chauffe va malheureusement entrer en combustion avec l’oxygène de l’air : il nous faut placer le filament dans un bulbe dans lequel on a Détail de la Fée fait le vide ou contenant un gaz inerte. Electricité Comment doit être le filament d’une lampe parcouru par un courant électrique pour émettre de la lumière ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………...

En 1878, Joseph Swan invente la lampe à incandescence classique. Sa maison (à Gateshead, Angleterre) est la première dans le monde à être éclairée par une ampoule électrique. En 1879, Thomas Edison dépose le brevet de l'ampoule électrique à base de filament en bambou du Japon (carbone) dans un bulbe de verre sous vide. Par la suite, on y apportera quelques améliorations : 1898 filament d’osmium (Von Walsbad). 1914 filament de tungstène et de tantale, on place du gaz inerte dans le bulbe (N, Ar, Kr, Ne)… Entre 1879 et 1936 la durée est multipliée par 30 et l’efficacité par 10.

Du producteur au consommateur : le triomphe de l’alternatif Dès que l’on veut faire circuler un courant sur de longues distances, on se heurte à un problème. L’effet Joule, recherché pour la lampe à incandescence, devient un handicap. L’énergie électrique véhiculée se dissipe sous forme de chaleur, d’autant plus que la distance parcourue est grande. La première usine électrique est construite par Edison en 1882 à Pearl Street (quartier de Wall Street). Elle distribue du courant continu sur un rayon de 1500m seulement à cause des pertes par échauffement trop conséquentes et fournit les bureaux du New York Times et des maisons de riches. Station électrique de Pearl Street.

Des machines à vapeur alimentent 6 générateurs de courant continu de 110V qui peuvent alimenter chacun 1200 lampes. Ce système nous oblige à installer des centrales électriques tous les 3 Km, il nous faut trouver autre chose, être capable de transporter de l’électricité sur de grandes distances. Comme nous l’avons vu, la perte par effet Joule est d’autant plus grande que l’intensité I est élevée. Ce qu’il nous faudrait, c’est un appareillage qui diminue l’intensité du courant (en augmentant la tension U afin de garder la même puissance électrique qu’au départ : on parle de lignes à haute tension !) avant de le transporter et qui augmente l’intensité (et diminue la tension) à l’arrivée avant de le distribuer aux particuliers. Le principe consiste à faire varier I et U tout en gardant la même puissance électrique (surface du rectangle bleu) à un facteur de rendement près.

Cet appareillage existe, c’est le transformateur, or celui-ci ne fonctionne qu’avec le courant alternatif. Il est inventé en 1881 par Gaulard et Gibbs. En 1885, Westinghouse acquiert les brevets pour les EtatsUnis. Il développe un système de distribution alternatif dans le Massachussetts avec 150 lampes alimentées. 1886 La ville de Tours est alimentée électriquement en courant alternatif. 1888 Paris s’équipe d’un réseau électrique à la fois alternatif et continu (selon les secteurs géographiques). On utilise les conduits du réseau de gaz pour y faire passer les fils électriques. Tout d’abord les centres villes (contenant les usines de productions électriques) sont alimentées en continu et la périphérie en alternatif (puis l’alternatif produit loin est transformé en continu par un redresseur, inventé par Pete Cooper Hewitt en 1892). Le courant alternatif l’emporte, mais certains domaines sont restés en continu (comme le ferroviaire et l’électrométallurgie).

Publicité, 1902.

Et après? En 1920, l’électricité dans les maisons bourgeoises, et seulement dans les pièces principales (on éclaire encore les chambres à la chandelle). En 1923 débute l’électrification des campagnes. La société change doucement. Ce qui nous parait aujourd’hui naturel était un bouleversement à l’époque dans les habitudes des gens.

Les standards modernes ne font leur apparition qu’après la seconde guerre mondiale. Il faudra attendre la fin des années 50 pour que toute la France soit raccordée au réseau électrique. Pierre-Jakez Helias, ferme bretonne dans les années 30 : « Le premier soir où ma mère Publicité 1930.

Publicité 1930.

manœuvre le bouton, nous arrivons à peine à manger notre soupe tellement il fait clair dans la maison qui parait beaucoup plus grande, trop grande pour nous qui avions l’habitude de vaquer à nos occupations dans le cercle de la lampe à pétrole. Il faudra que nous apprenions d’autres gestes, que nous mesurions plus largement nos pas. »

Quelques objets du musée pour poursuivre...

Transformateur monophasé, 1900, Inv. 13626 -7.

Grande machine électrostatique, 18ème siècle, Inv. 1633.

Lampe Edison à filament de carbone, 1890, Inv. 40770.

Pile de Volta, 1800, Inv.1701-2. Machine dynamo-électrique de Zénobe Gramme, 1874, Inv. 9642-2.

Machine magnéto-électrique de Pixii, 1832, Inv. 12190. Maquette de centrale nucléaire type N41450MW.

Dispositif Musée - Musée des Arts et Métiers 292, rue Saint-Martin - 75141 PARIS Cedex 03 tel : 01 53 01 82 27 , mail : [email protected] Rédaction : Yann MELKI

Machine magnéto-électrique de Edward Clarke, 1835, Inv. 2537.