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La haute tension au XIX ème siécle

Machines à influence contre bobines d'induction de 1870 à 1900

par Noël Felici ( 1916- 2010 )


  Pendant bien longtemps, les phénomènes liés aux tensions élevées ont été les seuls connus, dans le champ immense de l'électricité. Leur observation fut grandement facilitée par l'invention, en 1744, de la « machine électrique » - premier générateur électrique tournant que l'Abbé Nollet se chargea de populariser en France, avec le plus grand succès. Il s'agissait alors d'un appareil de physique, d'un instrument de recherche et de démonstration, aucune « application » n'étant envisagée, sauf dans le domaine médical, où les résultats ne furent qu'illusoires.
   Instrument de physique, le générateur à frottement devait le rester jusqu'à la fin. On le présentait encore dans les lycées, selon les programmes de 1905, sous la forme élaborée que lui avait donnée le constructeur anglais Jesse Ramsden (1735-1800).
   La première bobine d'induction n'est rien d'autre que l'appareil construit par Faraday lui-même pour démontrer la production électromagnétique de courants (1831). On y trouve le primaire et son interrupteur, le noyau de fer, le secondaire. Faraday insiste sur le fait que le secondaire peut donner une étincelle. Il tient beaucoup à ce résultat, qui montre l'identité de l'électricité d'induction et de l'électricité « ordinaire », celle de la machine à frottement.

   Rien d'étonnant, dés lors, à ce que la bobine d'induction ait retenu l'attention des scientifiques. Il lui manquait toutefois un élément important, le condensateur du primaire, introduit par Fizeau en 1853. La bobine commence alors sa marche triomphale, entre les mains de facteurs d'instruments comme H. D. Ruhmkorff a Paris, A. Apps à Londres, Klingelfuss en Suisse.

   Cependant, il s'agit toujours d'un appareil de physique. Les espérances d'application à l'éclairage, par des tubes à gaz raréfié, n'ont aucune suite. Il n'en reste pas moins que la bobine a conquis une place de choix dans la panoplie de l'expérimentateur. L'attribution à Ruhmkorff, en 1867, du prix de 50 000 francs-or institué par le gouvernement français pour l'« application la plus intéressante de la pile » en donne un témoignage convaincant.

   Les choses auraient pu en rester là, si, au même moment, n'avait pas eu lieu un événement inattendu : l'invention de la machine électrostatique à influence.

   Véritable « grand bond en avant », cette invention faisait du générateur électrostatique un concurrent très sérieux de la bobine, en multipliant la puissance par dix et en améliorant massivement le rendement. Libérée du « frottement », la machine électrostatique pouvait tourner beaucoup plus vite (1 000 tours/minute au lieu de 60) et elle n'était plus freinée que par la ventilation, à vrai dire non négligeable aux grandes vitesses.

Comme beaucoup d'inventions importantes, elle fut imaginée sous des formes diverses, presque simultanément (1865-1869), par des chercheurs indépendants. Ils étaient tous allemands Holtz, Toepler et Musaeus. La machine de Holtz comportait un disque de verre sans armatures, c'était la plus simple et la plus efficace, mais elle ne s'amorçait pas d'elle-même . Celle de Toepler représentait un double condensateur tournant avec auto-amorcage . Toepler etait professeur au Polytechnique baltique de Riga, dans l'Empire russe. Sujet du tsar, il n'en était pas moins allemand de culture, comme une grande partie de la bourgeoisie balte, chose qui à l'époque ne choquait personne, les Allemands étant même très appréciés dans l'Empire, pour leur compétence et leur honnêteté. Nous retrouverons tout à l'heure Toepler professeur à Dresde, dans l'Empire d'Allemagne, cette fois. Musaeus, lui, avait imaginé la machine à double rotation, celle que les Français connaissent sous le nom de Wimshurst , dont le mérite consista à la rendre auto amorçante grâce à des armatures d'étain.

Pour évaluer ces machines et les comparer aux bobines de l'époque, nous disposons d'un document incomparable le Traité d'Electricité Statique de E. Mascart (1876).
Mascart, savant français estimé, professeur au Collège de France, plus tard Secrétaire perpétuel de l'Académie des Sciences, connait admirablement l'électricité de son temps. Son traité est très en avance sur les travaux similaires on y trouve de bonnes déterminations de puissance électrique, absentes dans presque tous les ouvrages postérieurs.

   Une grande machine de Holtz à deux plateaux de 85 cm de diamètre donne 10W à la vitesse de 900 tours/minute, qu'il n'est pas possible de dépasser. La tension atteint 100 kV, le rendement est de l'ordre de 40 %. Un homme peut l'actionner sans peine.

   Une grande bobine d'induction de 60 cm de long est alimentée par 8 grands éléments Bunsen. La puissance utile de cette batterie n'est pas indiquee nous pouvons l'evaluer a 50 a 100 W. La tension maximale de la bobine est très élevée, peut-être 200 kV, mais elle est peu utilisable, le débit diminuant très vite quand la tension croît. Mascart trouve que la bobine donne une puissance supérieure à la machine de Holtz double aux tensions basses, mais le rapport s'inverse aux tensions élevées (100 kV) parce que le courant du générateur électrostatique se maintient beaucoup mieux quand la tension croit. Il faut noter que la fréquence de rupture de la bobine est 6 Hz, ce qui nous paraît très faible, mais est caractéristique de la technologie du temps, qui restera inchangée jusqu'a la fin du siècle, lorsqu'apparaîtront des interrupteurs beaucoup plus rapides, qui donneront à la bobine un avantage considérable.

En somme, du temps de Mascart, la grande bobine et la machine de Holtz à deux disques sont très comparables. Elles diffèrent surtout par leur source d'énergie pile pour l'une, force humaine pour l'autre, car il n'est pas question de moteur, électrique ou mécanique.

Appareil a rayons X


Nous sautons une génération, marquée par un progrès technique étourdissant. En quelques années le téleéphone, appareil de physique reproducteur de sons, devient capable de relier des villes d'Europe. Bien plus surprenante dans son principe, bien plus rapide encore dans ses applications, la découverte du siècle : les rayons X.

Là, il ne s'agit plus d'années, mais de mois. Dans ce delai si court, des chirurgiens audacieux, à Londres, à Vienne, reussissent à guerir, grace aux rayons X, des malades tourmentés par des debris métalliques, éclats de couteau ou projectiles.

Pour la première fois, la haute tension découvre un marché porteur, une véritable application. Tous les hôpitaux, de nombreux cabinets médicaux s'équipent en quelques années. Il faut y ajouter une demande accrue de la part des physiciens, pour qui les rayons X sont un sujet de recherche d'intérêt exceptionnel.

Les documents nous montrent que vers 1900 le marché est entièrement dominé par la bobine alimentée par des piles. Des traités de niveau très élémentaire décrivent en détail sa technologie, à l'usage d'utilisateurs qui, comme les médecins, n'ont que des connaissances modestes en électricité. La raison de l'effacement complet du générateur électrostatique n'est pourtant pas évidente, si l'on se réfère à Mascart. Les contemporains n'avaient pas d'idées bien claires à ce sujet. Par exemple un ingénieur francais, auteur de nombreux traités de vulgarisation, expliquait simplement les choses par le fait que l'électricité de la machine à influence, étant « statique », restait impropre aux applications, qui demandent une électricité dynamique. Il ne s'agissait malheureusement pas d'un bon mot.

Un document reste inédit, d'un intérêt exceptionnel en raison de la personnalité de ses auteurs, permet de mieux comprendre. Il s'agit de la correspondance échangée en 1897 entre Roentgen, le découvreur des rayons X, et Toepler, maintenant professeur à Dresde. Toepler fait construire des générateurs électrostatiques à disques multiples, tout à fait comparables aux grosses bobines, qui ont notablement progressé depuis Mascart. Comme un bon vendeur, il essaye de convaincre Roentgen de la supériorité de son produit. Il parle de la radiologie médicale, donnant quantité d'informations qui permettent de situer les performances, le coût, etc., de ses appareils, en comparaison avec les bobines.

Grâce à cette source, et à plusieurs autres (prix-courants de matériel électrique, etc.) il est possible d'établir le cout de l'énergie haute tension fournie par l'un ou l'autre concurrent, dans le cas d'une installation typique de rayons X, permettant la radiographie du thorax, vers 1900. À cette époque, la distribution publique d'énergie électrique existe dans la plupart des villes de telle sorte que nous envisagerons trois sources d'énergie primaire : les piles, la force humaine et le réseau électrique.

Pour la bobine, la pile au bichromate à deux liquides (avatar de la pile Bunsen) est la solution la plus courante . On commence à utiliser des accumulateurs rechargés par le secteur à travers un groupe moteur-générateur. Nous verrons qu'en 1900 le coût du courant continu basse tension est à peu près le même dans les deux cas, ce qui explique la persistance des piles, un peu surprenante pour nous.

Pour le générateur électrostatique, la force humaine est la plus utilisée. Nous envisagerons aussi un moteur électrique alimenté par le secteur, solution qui commencait à être pratiquée. Nous verrons que la force humaine est très onéreuse, déjà à cette époque. On croirait volontiers que tourner une manivelle revient moins cher que d'établir des batteries chimiques, puis d'assurer l'achat et les manipulations de zinc. d'acide et de bichromate. Cela est vrai pour le cabinet de physique d'un lycée ou le laboratoire d'une Université, où le fonctionnement des appareils est souvent épisodique et le personnel moderement occupe, mais non pour une installation médicale fonctionnant en permanence.

Dans ce qui suit, les prix sont exprimés en francs-or de 1900.

Courant continu basse tension (20 V/S A)


a) Pile au bichromate a deux liquides Produits chimiques
F - OR

Zinc
0,05 F

Cr2O7K2
0,25 F

SO4H2
0.05 F
Main-d'oeuvre (0,50 F/heure)
0,10 F
Amortissement
0,05 F
Total pour un hectowatt / heure
0.50 F



b) Reseau electrique + convertisseur tournant + accumulateurs
Energie reseau
0,10 F/hWh
Rendement : Sortie accumulateurs /Entree convertisseur
30 %
Entretien et amortissement
0,10 F/hWh courant continu
Total pour un hectowatt / heure courant continu basse tension
0,40 F

Alimentation d'un tube focus a Rayons X. Tension 100 kV.

a) Bobine d'Induction de 20 cm d'etincelle
Puissance electrique 70 W
Prix 400 F
Entree 100 W courant continu basse tension (20 V/S A)

Sortie 70 W tension crête 100 kV

Amortissement et entretien
0,10 F/heure
Cout horaire total (Bobine + énergie)
Piles au bichromate 0,60 F/heure

Reseau + accumulateurs 0,50 F/heure


b) Generateur electrostatique a 60 plateaux de 26 cm de diametre
Prix : 3 750 F
Cout horaire total
Entree 150 W énergie mecanique

Sortie 70 W tension 100 kV

Amortissement et entretien 0.70 F/heure
b' )Force motrice humaine, deux hommes 1.00 F/heure 1.00 F/heure 1.70 F/heure
b")Force motrice electrique (reseau) 0,30 F/heure 0.30 F/heure 1.00 F/heure

Commentaires.

Le générateur électrostatique est gravement handicapé par deux facteurs :

1) Son coût très élevé, près de dix fois celui de la bobine équivalente. Il en résulte un amortissement trés lourd, peut-être sous-estimé.
2) La force humaine est hors de prix. Si on la compte pour rien (cas d'un lycée ou d'une université) le générateur électrostatique devient très comparable à la bobine, d'autant plus que les piles sont peu commodes pour un service épisodique.

Pourquoi le prix du générateur électrostatique était-il si élevé ? Parce que sa construction n'était pas industrielle. Dans sa correspondance, Toepler explique qu'il est construit à l'unité et à la demande, par un facteur d'instruments qui a bien d'autres fabrications, et dont l'organisation est à l'évidence toute artisanale. La bobine, au contraire, était réalisée en petites séries par des entreprises spécialisées en électrotechnique, Siemens, Carpentier (ex-Ruhmkorff), Ducretet, selon des modèles présentés dans les expositions, etc.

Bien d'autres facteurs ont contribué à ruiner le générateur électrostatique

1) Il est peu connu en dehors des milieux proprement scientifiques. [On peut ] citer l'ingénieur qui croyait que l'électricité « statique » était par nature (sic) inutilisable.

2) Les scientifiques eux-mêmes n'en saisissent pas bien le fonctionnement et les limitations. La raison est simple : la « physiologie » de l'appareil est dominée par l'ionisation du gaz ambiant, phénoméne très complexe que la science du temps commence peine à identifier et à analyser. C'est pourquoi une tentative de fonctionnement sous pression, assez encourageante (1884) n'eut alors aucune suite, faute d'interprétation théorique.

3) Pour les tubes X à cathode froide, les seuls connus au début de notre siècle, la tension pulsée de la bobine est bien adaptée. Avec le générateur électrostatique, on est obligé, pour des raisons de stabilité, d'introduire un éclateur en serie (comme le fait Toepler) avec perte d'énergie.

4) Vers 1900, la bobine connait deux perfectionnements importants : l'isolation imprégnée à la resine pâteuse, qui réduit ses dimensions en améliorant beaucoup la fiabilité les interrupteurs rapides, électrolytique et à jet de mercure, qui augmentent considerablement la fréquence, donc la puissance utile .

Dans ces conditions, il n'y a pas lieu de s'étonner que le générateur à influence, qui était resté pratiquement le même depuis 1870, ait perdu la partie.

Histoire de l'électricité 1880-1980 - Un siècle d'électricité dans le monde - Actes du Premier colloque international de l'électricite, organisé par l'Association pour l'histoire de l'électricite en France - Paris , 15-17 avril 1986 -PUF


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