CHAPITRE PREMIER

ÉNERGIE ET ÉLECTIUCITÉ

Introduction. — Dans l'éclairage à l'électricité on distingue deux sortes d'appareils essentiels : les uns servant à transformer un travail de forme quelconque en électricité et qu'on nomme générateurs électrique» ; les autres qui sont le siège de la transformation de l'électricité en lumière, et qu'on désigne généralement sous le nom de brûleurs électriques.

L'objet principal de ce livre est la description des générateurs et des brûleurs électriques les plus employés dans l'industrie.

Pour être facilement comprise, cette description exige certaines connaissances théoriques et techniques très peu répandues encore aujourd'hui chez les industriels en vue desquels nous écrivons plus spécialement. Nous aurions pu nous borner à indiquer les traités de physique le plus au courant des progrès

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de la science, ou les ouvrages élémentaires entièrement consacrés à Télectricité où pourraient être puisées ces connaissances ; mais nous avons préféré réunir ici, dans un ordre déterminé, les notions générales indispensables au lecteur qui veut s'initier à la pratique du nouvel éclairage, sans se lancer dans l'étude complète des phénomènes électriques.

Ces notions sont relatives à ï énergie, Vélectricitè, le maguciismej les piles^ les dynamos^ Yarc volUiîque et V incandescence.

Conservation de l'énergie. — Vénergie est la quantité ou la somme totale de travail qu'est susceptible d'effectuer un système, corps ou agent quelconque (masse pesante, ressort tendu, gaz comprimé, poudre explosive, chute d'eau, vent, combustible, substances douées d'aflinités chimiques, etc.).

L'expression énergie s'applique aussi bien à l'aptitude que possède le système à la production du travail qu'à sa manifestation même, sous forme d'action mécanique, électrique, calorifique, chimique, etc. Cette manifestation peut subir des modifications soit comme intensité, soit comme délai, soit comme forme : la chaleur peut devenir du travail mécanique, celui-ci de l'électricité, cette dernière opérer des décompositions chimiques, etc.; mais tous ces changements, toutes ces transformations se réalisent sans que jamais il en résulte une perte ou un accroissement dans l'énergie primitive. Il en est de l'énergie comme de la matière : l'univers en contient une quantité immuable depuis le commencement des siècles, et cette quantité ne peut subir aucune modification. C'est là le grand principe de la conservation de l'énergie, sur lequel repose la physique moderne, et qu'on exprime souvent par ces mots : la force est indestructible.

L'électricité provenant toujours d'une transformation, son énergie ne peut jamais être supérieure, ni même égale, à celle de la source dont elle procède; car l'appareil où s'opère la transformation consomine toujours, sous une autre forme, une partie de l'énecgie mise en jeu. Le déficit apparent n'existe d'ailleurs que lorsqu'on compare l'énergie initiale et l'énergie finale récupérée. La première se retrouve intégralement après la trans-

formation; mais elle est alors divisée en énergie électrique utilisable, et, le plus souvent, en énergie calorifique qui élève la température des appareils et se répand ensuite dans l'atmosphère. Pour produire du travail dynamique à Taide de la chaleur, on passe généralement par l'intermédiaire de la vapeur d'eau, et on ne recueille guère sur l'arbre de la machine motrice que le dixième de l'énergie contenue dans le combustible dépensé. Dans le domaine de l'électricité, les intermédiaires sont généralement moins coûteux ; on construit aujourd'hui des appareils qui transforment le travail mécanique en électricité sans absorber plus de 3 à Â p. 100 de l'énergie mécanique totale dépensée.

Électricité. — On ignore comment l'électricité se développe, et quelle est sa nature intime ; mais les hypothèses pour expliquer les phénomènes auxquels elle donne lieu sont assez satisfaisantes. Nous allons résumer deux de ces hypothèses, pour faire comprendre certaines parties du langage adopté, en ces matières, par les physiciens.

La première, due à Symmer, est basée sur l'existence de deux fluides dans tous les corps : l'un de ces fluides est désigné sous le nom de positif, et l'autre sous le nom de négatif. Si le corps considéré contient les deux fluides en quantités égales, on dit qu'il est à l'état neutre; si le fluide positif domine, le corps est dit électrisé positivement; si c'est le fluide négatif qui domine, le corps est alors dit électrisé négativement. Pour expliquer la propagation de l'électricité dans un conducteur, Symmer dit qu'elle est le résultat de la décomposition et de la recomposition du fluide neutre.

La seconde hypothèse, due à Franklin, est plus généralement adoptée. Elle consiste à admettre l'existence d'un seul fluide dont les molécules agissent par répulsion les unes sur les autres, et par attraction sur la matière pondérable. Cette hypothèse revient à la conception d'un agent subtil qu'on est convenu d'appeler électricité et qui existe dans tous les corps en quantité déteraiinée pour chaque substance à l'état neutre, quantité pouvant être augmentée ou diminuée, par suite d'une action extérieure spéciale. Le corps est 4it électrisé positivement ou en plus

si rélectricité est augmentée, et électrisé négativement ou en moins si l'électricité est diminuée.

Dans les deux hypothèses, quand un corps électrisé est en présence d'un corps neutre, il y a action du premier sur le second ; les forces qui en résultent troublent l'équilibre du corps neutre et amènent une nouvelle distribution d'électricité.

Action réciproque des corps électrisés. — Lorsque deux corps sont l'un et l'autre électrisés positivement, ils se repoussent; il en est de même lorsqu'ils sont tous deux électrisés négativement. Lorsqu'un des corps est électrisé positivement et l'autre négativement, ils s'attirent. Cette attraction et cette répulsion sont proportionnelles aux quantités d'électricité en action, et inversement proportionnelles au carré de la distance des corps entre eux.

On nomme champ électrique l'espace dans lequel les actions électriques se manifestent.

Lorsque deux corps sont dans un état électrique différent, et qu'ils viennent à être mis en communication, il s'établit entre eux un courant plus ou moins intense et plus ou moins prolongé.

Si les deux corps en présence sont incapables de développer par eux-mêmes un travail calorifique, mécanique ou chimique, leur état électrique s'égalise bientôt, et le courant est de courte durée. Au contraire, si une action quelconque entretient le courant, celui-ci persiste et donne naissance à une série de phénomènes particuliers, parmi lesquels nous citerons : un développement de chaleur, et même de lumière si le courant traverse un fil très résistant; la déviation de la boussole ; les effets physiologiques de toute nature.

Ces phénomènes magnétiques, thermiques, chimiques et physiologiques ne sont pas les seuls qui résultent de l'action d'un courant, mais leur énonciation suffît, quant à présent, pour montrer combien sont multiples les propriétés de l'électricité.

Du potentiel. — La différence d'état électrique se nomme différence de jwtentiel. Deux corps sont au même potentiel lorsque leur réunion par un fil conducteur ne fait subir à leur

élat électrique aucune modification. Si les corps nois ainsi en communication n'ont pas un état électrique semblable, c'est qu'il existe entr'eux une différence de potentiel, laquelle se traduit par le développement d'un courant d'électricité.

L'idée de potentiel a été introduite depuis peu dans les calculs élémentaires ; il est donc nécessaire de donner quelques explications à son sujet.

La meilleure manière de faire comprendre cette notion aux personnes étrangères à la science électrique est d'établir une comparaison entre les phénomènes hydrauliques et les phénomènes électriques.

En faisant communiquer deux vases contenant un même liquide, de l'eau par exemple, à des niveaux différents, on remarque : 1* qu'il se produit un écoulement d'un vase à l'autre, jusqu'à ce que les niveaux soient les mêmes ; 2° que la direction de l'écoulement est indépendante de la grandeur des vases, le mouvement de l'eau ayant toujours lieu du niveau le plus élevé au niveau le plus bas, quand bien même le vase correspondant à ce dernier aurait une capacité centuple de celle du vase au niveau le plus élevé ; et 3*" que la vitesse d'écoulement est d'autant plus grande que la différence des niveaux est elle-même plus grande.

Le potentiel électrique peut être assimilé au niveau de l'eau; en'effet, quand on met en communication deux corps n'ayant pas le même état électrique, un courant s'établit du corps ayant le potentiel le plus élevé à l'autre corps, et il dure jusqu'à ce que les corps arrivent au même potentiel. La quantité d'électricité n'influe pas sur la direction du courant. Enfin, la puissance que le système est capable de développer est d'autant plus considérable que la différence de potentiel est plus élevée.

On prend généralement la terre pour point de comparaison entre l'état des corps électrisés, et Ton admet que les corps électrisés positivement sont à un potentiel plus élevé que la terre tandis que les corps électrisés négativement sont à un potentiel moins élevé que celle-ci. La terre est donc supposée être toujours au potentiel zéro.

Il existe plusieurs définitions scientifiques du potentiel électrique, mais ces définitions sont trop abstraites pour trouver place

ici; nous nous contenterons de donner, à titre de renseignement, une explication qui, sans le définir, en facilitera la conception.

Le potentiel électrique en un point positif d*un champ élec^ trique est le résultat du travail effectué pour amener de la limite du champ jusqu*à ce point l'unité idéale (^électricité positive. En réalité le potentiel électrique pris isolément n'existe pas; mais, par abréviation, on appelle ainsi la différence de potentiel d'un point avec celui de la terre pris, avons^-nous dit, pour zéro relatif.

Force électromotrice. — On nomme force électromotrice la résultante de toutes les actions électriques dans un système susceptible de cette manifestation de l'énergie. C'est la cause qui détermine le mouvement de l'électricité dans un circuit, et le résultat de la différence de potentiel entre deux points donnés. La force électromotrice est assimilable à la force correspondant à la hauteur de chute d'un liquide. Dans les calculs elle est représentée par la lettre E.

Intensité. — L'intensité d'un courant est la quantité d'électricité qui s'écoule par unité de temps. Elle est assimilable au volume d'eau par seconde débité par une chute. L'intensité est représentée dans les formules par la lettre I.

Résistance. — On nomme résistance l'obstacle présenté au courant par les diverses parties d'un circuit; la résistance qui s'oppose au mouvement de l'électricité dépend de ,1a nature, des dimensions et de la température des substances constituant le circuit. Un corps homogène, lorsque sa température reste invariable, a une résistance électrique proportionnelle à sa longueur et inversement proportionnelle à sa section.

La résistance spécifique d'une substance est une de ses propriétés essentielles, comme sa masse, sa densité, etc. ; c'est le coefficient par lequel il faut multiplier le rapport de la longueur à la section d^un conducteur de cette matière pour avoir sa résistance. Sa valeur numérique est égale à la résistance mesurée entre deux faces opposées d'un cube de la substance considérée ayant une longueur égale à une unité, et une. section égale à une unité.

Dans les calculs la résistance est indiquée au moyen de la lettre R.

Conductibilité. — La conductibilité est la facilité plus ou moins: grande avec laquelle les corps laissent passer l'électricité; c'est, à proprement parler, Tin verse de la résistance. On la

désigne par la fraction -g-

La conductibilité spécifique d'une substance est, comme sa résistance spécifique dont elle est l'inverse, une de ses propriétés essentielles ou naturelles.

Pour indiquer la conductibilité des divers métaux usuels, on prend ordinairement pour terme de comparaison la conductibilité de l'argent ou du cuivre que l'on admet être de 100.

La conductibilité d'un corps homogène, à température constante, est naturellement proportionnelle à sa section et inversement proportionnelle à sa longueur.

Unités électriques. — En vertu du principe de la conservation de l'énergie, ses diverses formes peuvent se comparer les unes avec les autres, puisque les transformations n'altèrent en rien la quantité d'énergie primitive. A un travail dynamique déterminé correspond donc toujours la même quantité de calories ; à une certaine quantité de chaleur, le même travail électrique ; à un courant électrique donné sous une tension déterminée, la même puissance mécanique, etc., etc.

C'est ainsi que l'équivalent mécanique de la chaleur a pu être trouvé expérimentalement, et qu'il a servi de base à tous les travaux récents de la thermo-dynamique ; c'est également ainsi que les mesures destinées à comparer les phénomènes électriques entr'eux ont pu être rattachées directement au système métrique, et, par suite, à l'unité de travail mécanique.

Les unités absolues choisies arbitrairement par le Congrès des électriciens de 1881 sont : le centimètre, le gramme-masse *

i. Poar l'unité de matière, le Congrès a préféré prendre la masse d*an centimètre cube d'eaa distillée, au lieu du poids de ce centimètre cube d'eau distillée, qui est égal à un gramme à Paris, parce que, Tactioa de la pesanteur variant avec la latitude, le poids d'un centimètre cube d*^eau n'est pas le même à Pari^ qu'à Berlin, par exemple, tandis que l'accélératioa g^ imprimée par la pesanteur, variant dans le même rapport

F que le poids f, ta quanUté .. , c'est-à dire la masse, est immuable.

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et la seconde ; elles sont la base du système électro-magnétique ditC.G.S.

Pour la dénomination des unités de force électromotrice, de résistance, d'intensité et de quantité, le Congrès s'arrêta aux expressions : VoU, Ohm, Ampère et Coulomb^ qui sont devenues les unités pratiques d'électricité et ont été adoptées par tous les physiciens de la France et de l'étranger. C'est grâce à cette unanimité dans le mode d'évaluation des grandeurs électriques, à cette unité dans le langage et les calculs, que la science électrique et les industries qui s'y rattachent ont fait des progrès aussi considérables pendant ces dernières années.

Volt. — L'unité C. G. S. de force électromotrice est la force électromotrice capable de produire un courant d'intensité égale à une unité dans un circuit présentant une unité de résistance.

Dans les calculs courants, on se sert d'une unité égale à 10* unités C.G. S., à laquelle on a donné le nom de volfy en mémoire de Volta.

Ces unités sont également celles qui servent à la mesure des différences de potentiel.

Comme nous le verrons plus loin^ un élément de pile Daniell, quelle que soit sa grandeur, possède une force électromôtrice sensiblement égale à un volt.

Ohm. — L'unité C. G. S. de résistance électrique est la résistance d'un circuit dans lequel un courant d'intensité égale à une unité développe, par unité de temps, une unité C. G. S. de chaleur. L'unité pratique, égale à 10' unités C. G. S., a reçu le nom d'ohm, La grandeur de la résistance que représente l'ohm a été déterminée par divers savants, et notamment par M. Mascart, dont le travail a reçu l'approbation de la Commission internationale qui a succédé au Congrès des électriciens. Cette Commission a décidé que Yohm légal aurait pour étalon une colonne de mercure de 106 centimètres de longueur et d'un millimètre carré de section, à la température de 0**C.

Ampère. — L'unité C. G. S. d'intensité est l'intensité d'un courant produisant, par unité de longueur de conducteur, l'unité de force sur l'unité de pôle placée à l'unité de distance, (On

entend par unité de pôle le pôle qui repousse un pôle semblable égal à lui-même, placé à l'unité de distance, avec l'unité de force). L'unité pratique d'intensité ou Yampère^ est la dixième partie de l'unité C. G. S.

Lorsqu'un bain chimique, susceptible d'être décomposé, est traversé par un courant, chaque ampère met en liberté 0,0375 gramme d'hydrogène par heure, et 0,0375 gramme multiplié par l'équivalent chimique, rapporté à l'hydrogène, d'un corps quelconque dissous dans le bain. Un bain de nitrate d'argent, par exemple, traversé par un courant de dix ampères, produira, par heure, 10 X 0,0375 X 108 = 40,5 grammes d'argent métallique (l'équivalent chimique de l'argent étant 108). On peut donc définir ainsi l'unité pratique d'intensité :

L'ampère est Vintemilé d'un courant qui libère 4,05 grammes d'argent^ à Vheure, d'un bain électro-chimique.

Coulomb. — Le coulomb, ou unité pratique de quantité, est la quantité d'électricité fournie par un courant d'un ampère en une seconde.

Loi d'Ohm. — La loi d'Ohm régit les rapports numériques entre la force électromotrice, l'intensité et la résistance dans un circuit.

L'intensité d'un courant est égale à la force électromotrice divisée parla résistance du circuit.

La force électromotrice est le produit de l'intensité par la résistance.

La résistance est le quotient de la force électromotrice par l'intensité.

D'où l'équation fondamentale, sous trois formes équivalentes :