CHAPITRE VIII L'éclalr9go électrique

g I. ~ us PRINCIPES SCIENTIFIQUES DE L'tCUIRAGE

Par les avantages qu'elle présente au point de vue de l'hygiène et de la sécurité, par sa douceur, sa commodité, sa facilité d'allumage et d'extinction, h lumière empruntée à Ténergie des courants est peut-être l'application qui a le plus contribué à rendre populaire la science électrique ; les lampes à arc et les lampes à incandescence ont, pour ainsi parler, fait une brillanle réclame qui a grandement servi à répandre dans le public le goût des choses de Télectricité et qui a suscité chez beaucoup de personnes le désir de connaître et de comprendre les phénomènes dont ces éclatants appareils étaient le siège.

L'éclairage électrique est devenu pratique, au moment même où les transformations de la vie sociale faisaient naître un désir intense de supprimer artificiellement l'obscurité des nuits. La découverte de nouveaux moyens capables de produire et de dis-

l'éclairage élbctriqub 259

Iribuer commodément de grandes quantités de lumière p'a d'ailleurs pas été étrangère à la création des {)esoins qu'elle permettait de satisfaire; ainsi, une fois de plus, par le jeu des actions et des réactions, les orgaaes et la fonction se développaient solidairement.

On a publié, au sujet des exigences toujours croissantes de rœil humain, d'intéressantes statistiques; dans- une très belle conférence, faite il y a déjà de nombreuses années, Tun des Maîtres de la physique, M. Mascart, cite en particulier quelques faits très curieux.

En 1785, le roi Louis XVI donnait, dans la salle des Gia(ie8 du palais de- Versailles, une grande fête; d'après les comptes qui ont été retrouvés, l'on employa 1800 chandelles de cire et cette quantité correspondait environ à deux dixièmes de bougies par mètre cube; les gazettes d'alors relatèrent comme un. événement prodigieux cette orgie de lumière et il se trouva sans doute bien des personnes pour blÀmer un tel luxe. Un siècle à peu près s'écoule et, pour un noble personnage qui vient rendre visite à la France, la salle des Glaces se rouvre: en 1873, on offre au shah de Perse une réception et l'on allume 4.000 bougies correspondant à plus de quatre dixièmes de bougies par mètre cube ; les journaux qui rendirent compte de la soirée ne font aucune remarque particulière sur Téclairage qui parut évidemment très normal. Cinq ans plus tard, eu 1878, au moment de l'Exposition universelle, on crut devoir, pour une nouvelle fête au môme endroit, doubler encore l'éclairage qui,

avec 8.000 bougies, atteignait une valeur de plus de huit dixièmes par mètre cube et cependant il se trouva des invités qui se plaignirent du manque de lumière.

Combien leurs plaintes seraient plu« vives aujourd'hui, s'ils pénétraient, le soir venu, dans une chambre qui ne serait pas plus éclairée I Nos rues nous paraissent souvent mornes et tristes avec une ou deux bougies par mètre cube, et, sur la scène de nos plus modestes théâtres, le plus parcimonieux des directeurs n'oserait pas représenter un salon on il n'y aurait pas, au moins, cinq fois plus de lumière encore.

Le problème de la lumière artiûcîelle a donc pris une importance de plus en plus grande et, pour le résoudre, l'électricité et les autres procédés d'éclairage ont entrepris une lutte féconde qui dure encore et où l'avantage, chaudement disputé, a successivement appartenu aux divers concurrents. Ces pacifiques combats ont beaucoup aidé au progrès, les rivaux, cherchant à se munir des armes les plus sûres, se sont adressés à la science qui a dû parfois, pour répondre à leurs demandes, perfectionner ses propres procédés.

Les théories du rayonnement qui se rattachent aux questions les plus élevées de l'optique et de la thermodynamique ont ainsi subi l'épreuve de la pratique; elles ont dû être confrontées avec les faits; certaines découvertes, comme celle que fît en 1890, après dix ans de pénibles efforts, le docteur Auer von Welsbach, surprirent d'abord les physiciens et parurent môme ébranler des principes -

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que Ton croyait très solidement établis, mais un examen attentif fut beaucoup plus favorable et l'œuvre édifiée par les Kirchhoff, les Stephan, les Boltzmann, qui avait paru un instant compromise, est, au contraire, désormais consolidée par de nouveaux travaux dus à MM. Pringsheim et Lummer, Wien, Rubéns, Gh.-Ëd. Guillaume, Le Ghatelier, Fery, etc. Pour comprendre les perfectionnements apportés par les recherches récentes dans la production de la lumière électrique, il est nécessaire d'avoir présents à Tesprit quelques principes essentiels que nous rappellerons brièvement.

Un corps lumineux est un corps qui communique à Féther environnant des vibrations plus ou moins complexes, mais quelques-unes d'entre elles doivent être capables d'impressionner notre œil et ont, par conséquent, des longueurs d'onde comprises entre Oj',8 et 0i^,4. Ce corps rayonne ainsi autour de lui» une certaine puissance qui doit nécessairement trouver son origine en quelque endroit.

Le plus souvent ce sera une source calorifique qui fournira à la substance rayonnante l'énergie qu'elle émet; il s'agit alors d'un phénomène d'incandescence et l'on se trouve en présence d'un rayonnement thermique proprement dit.

Dans d'autres cas, le corps subira des modifications chimiques, tel le phosphore qui s'oxyde, ou recevra un apport d'énergie électrique, tel le gaz lumineux du tube de Geissler, illuminé par une décharge électrique, et l'on dira que l'on a affaire à une source luminescente.

202 l'élbctaicité

Depuis la plus haute antiquité jusqu^à^ces dernières années, on a exclusivement employé pour l'éciairage des procédés qui se rattachent à la première catégorie, et, presque toujours, le corps rayonnant fût du oharbon; c'est du charbon incandescent qui éclaira nos ancôlres dans les torches de résine, c'est du oharbon qui nous éclaire dans la flamme des bougies, des lampes, des becs de gaz où il se trouve en suspension, c'est encore du charbon qui nous envoie de la lumière dans Tam* poule électrique ou dans l'arc dont Téclat provient surtout de Télectrode positive qui amène le courant.

Ce choix de la substance rayonnante fut sans doute déterminé à rorigîne par la facilité avec laquelle le charbon, s'unlssant à l'oxygène de Tair, dégage une grande quantité de chaleur capable de porter à une haute températurQ les particules de carbone contenues dans la flamme, mais il fut par» 4icuiièrement heureux à un autre point de vue, et Ton a même cru longtemps qu'il était le meilleur, parce qu'il peut paraître avantageux de s'adresser à un corps qui se rapproche du corps noir idéal, pour lequel l'énergie rayonnée est, pour chaque température et chaque radiation, la plus grande possible.

Le corps noir serait aussi, d'après Kirchhoff, celui qui absorberait la totalité d'une radiation quelconque qui le viendrait frapper et transformerait intégra-» lement en chaleur l'énergie correspondante. Il est intéressant de connaître les lois de son rayonnement, pluseimples sans doute que pour tous les autres corps*

On sait que, s'appuyant sur le principe de Carnet,

l'ÉCLAIHÂGS ÉL&CtRlQUE &C8

Kirchhoff a démontré que le rayotioement intérieur à une enceinte isothérmique ne dépend pas de la nature de» parois, mais de la température Seule et doit être identique à celui du corps noir à la même température \ si^ par suite^ Ton pratique dans une petite boule métallique à température uniforme, une ouyertufe très petite, on réalise un élément de surface d'un corps noir, tant au point de vue de Tabsorption qu'au point de vue de TémissiOû. C'est parce procédé que, dans ces dernières ftnnées, divers physiciens et particulièrement en Allemagne, MM. Lummeret Pringhseim et MM. Lummer et Kurlbaum ont pu expérimentalement mener A bien Tétude de diverses questions relatives au rayonnement.

Il faut bien comprendre que le mot noir, qui a été d'abord employé parce qu'il convenait bien pour désigner une substance absorbant toute radiation qui la frappe, se trouve, par la Suite^ singulièrement détourné de son acception primitive ; ainsi, lorsqu'il s'agira des phénomènes d'émission, on sera amené à dire que, de deux Surfaces égales portées a la même température, la plus noire sera précisément celle qui est la plus lumineuse, et, par une pente naturelle^ on arrive à des extensions plus singulières encore ; par exemple, l'on dira avec M. Rubens, que le manchon d'un bec Auer, placé dans une enveloppe argentée, noircit dans le bleu, parce que l'éminênt physicien a démontré que, dans ces conditions, cette substance incandescente tend à produire une émiS'* sion de lumière bleue égale à celle du corps noir< Ce langage bizarre, et par trop coloré, ne laisse pas que d'avoir quelques inconvénients qui ont été trèiS

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bien mis en évidence par M. Ch.-Ed. Guillaume ; cet érudit et ingénieux savant, qui a publié sur les questions relatives au rayonnement des études très pénétrantes, a proposé, pour désigner le corps noir théorique, le nom expressif de radiateur intégral que nous adopterons désormais.

Dans les limites les plus larges, la puissance totale rayonnée par le radiateur intégral est proportionnelle à la quatrième puissance de la température absolue et s'élève, par suite, très rapidement quand augmente cette température. C'est la loi de Stéphan, établie en 1879 par ce physicien qui la tira des travaux déjà exécutés à son époque, rattachée par Boltzmann aux principes de la thermodynamique, et dont les expériences de MM. Lummer, Pringsheim, Kurlbaum, ont démontré, en ces dernières années, la grande exactitude.

Mais la radiation totale se compose d'une multitude d'ondes de fréquences différentes, les unes purement calorifiques, de grande longueur d'onde, les autres lumineuses et d'autres encore vibrant avec une extrême rapidité et situées dans le spectre au delà du violet, et, à mesure que la température du radiateur s'élève, la composition de l'ensemble s'étend et s'amplifie sans cesse.

Chaque radiation élémentaire croît avec la température, mais l'accroissement diffère suivant la longueur d'onde. En admettant une loi de répartition, déduite du calcul des probabilités, pour les vitesses des molécules vibrantes, et en s'appuyant, par ailleurs, sur la thermodynamique, M. Wien a démontré que le produit de la longueur d'onde cor-

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respondant, pour chaque température, à la radiation possédant le maximum de puissance par la température absolue de la source, est constant.

Il résulte de cette loi, suffisamment yérifiée par Texpérience, que si la température du radiateur augmente, la puissance maximum se déplace régulièrement vers les ondes les plus courtes. On peut calculer quelle devrait être la température de la source pour que la radiation correspondant au maximum d'énergie appartienne au spectre visible; si Ton veut que le maximum soit, par exemple, dans le jaune, il faudra élever le corps rayonnant à 4.600 degrés centigrades; c'est une température qu^aucun de nos procédés d'éclairage ne nous permettrait actuellement d'atteindre. Mais il y aura intérêt a^ élever autant que possible la température des corps analogues au radiateur intégral pour que le maximum se trouve rapproché des radiations visibles.

Un certain nombre de physiciens et, particulièrement des savants allemands, se sont beaucoup préoccupés, en ces derniers temps, de rechercher non seulement la position du maximum, mais d'étudier, d'une façon complète, la répartition de l'énergie dans le spectre du radiateur intégral ; il ne semble pas que les résultats obtenus sur ce sujet soient parfaitement concordants ; les diverses formules proposées par MM. Wien, Plank, Thiesen, représentent cependant assez bien les faits et pourraient servir à calculer la température pour laquelle la puissance dans l'ensemble du spectre visible serait maximum. On trouverait ainsi une température encore beau-

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coup trop haute pour la pratique^ m&i§» ùu doit au moiûB retenir de cette étude que le rapport des radiations lumineuses aut radiations calorifiques croît lorsqu'on élève la température et que* par suite, le rendement lumineux s'améliore dans les mêmes conditions* Ainsi, pour toutes les sources qui se rapprochent du radiateur intégral, ofi a tout intérêt, au point de vue de Téclairage, à obtenir des températures aussi élevées que possible.

Mais' tous les corps réels s'éloignent^ à des degrés 'divers, du radiateur intégral ; chez eut, la puissance de chaque radiation sera moindre, à température égale, que pour la substance noire idéale; leurs propriétés particulières fourniront cependant, pour réclairage, des résultats qui pourront étr^ excellents, parce que, dans certains .cas, leur pouvoir émissif pourra beaucoup plus se rappfoôher, dans la partie visible, de celui du radiateur intégral qiie dans la partie obscure du spectre* Ainsi, d'après les expériences de MM. Lummer et Kurlbaum* le platine incandescent a un spectre présentant, à la même température, son maximum beaucoup plus près de la région visible que le radiateur intégral. On sait d'ailleurs, depuis les belles recherches elTeduées en 1902 par MM. Rubens et Ilagen, que te métal possède un pouvoir réflecteur qui décroît avec la longueur d*onde, il n^est donc pas étonnant que son pouvoir émissif, complémentaire du pouvoir réflecteur, sôit particulièrement élevé dans la partie visible du spectre et que, par suite, un filament de platine rayonne dans rospacc, pour une môme quan-

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tité de radiations lumineuses, moins de radiations inyisiblejs que le corps noir absolu*

Le platine n'est pas la seule substance qui possède ainsi un pouvoir sélectif; les métaux réfractaires jouissent de oette môme propriété qui appartient au9si aux oxydes des terres rares employés dans la fabrication des manchons Auer.

Pour les applications, il serait fort important de savoir évaluer le rendement des sources lumineuses; on le pourrait définir comme égal au rapport de la puissance contenue dans la partie visible à la puissance totale du rayonnement. Mais cette définition serait pratiquement insuffisante : les limites du spectre visible sont mal déterminées, et, comme la plupart des sources lumineuses sont précisément très riches dans cette région frontière qui est le rouge extrême, Tindécision entraînerait des divergences très grandes dans Tévaluation du rendement.

Par ailleurs, des considérations physiologinues fort délicates viennent singulièrement compliquer la question; la valeur éclairante ne dépend pas seulement de la puissance rayonnée, mais encore de la répartition de cette puissance dans le spectre visible lui-même. Notre œil n'est pas également sensible 4 toutes les radiations; très mal adapté à la perception du rouge, médiocrement à celle du violet, il est, au contraire, facilement impressionné par le jaune verdâtre qui, dans le spectre solaire, se trouve précisément correspondre au maximum d'énergie.

On peut voir là sans doute un exemple remar-

quable d'adaptation de l'organe au milieu; quoi qu'il en soit, pour cette couleur, la sensibilité est prodigieuse; M. Ch.-Ed. Guillaume calculait qu'en transformant en énergie lumineuse correspondant à cette teinte une petite calorie, on obtiendrait assez de lumière pour impressionner un œil normal pendant plus de cent millions d'années.

^ Si Ton veut se rendre un compte parfaitement exact de la valeur photogénique des sources lumineuses, il convient donc de savoir apprécier la sensibilité de l'œil [pour les différentes couleurs et l'on doit résoudre des problèmes de photométrie très complexes et au sujet desquels, il faut l'avouer, l'accord n'est pas encore entièrement fait entre les physiciens et les physiologistes.

Un résultat apparaît cependant comme incontestable ; quelle que soit la définition adoptée pour le rendement lumineux, ce rendement est, dans nos procédés actuels, toujours détestable.

Dans la flamme d'une bougie, pour cent mille calories, mesurant l'énergie libérée par la combustion, on utilise à peine, pour la production des radiations visibles, une énergie correspondant à quinze calories! Les sources lumineuses découvertes par les physiciens modernes sont beaucoup plus favorables : le bec Auer fournit un rendement voisin de 1 pour 100, les lampes électriques utilisent pour l'éclairage plus de 2 pour 100, et la lampe à arc davantage encore de l'énergie qui leur est fournie, , mais la proportion reste encore véritablement dérisoire.

Heureusement, cette prodigalité n'a pas de consé-

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quences bien ruineuèes, à cause de Pextraordinaire sensibilité de l'œil et du prix minime de Ténergie calorifique; mais, lorsqu'il s'agit de l'éclairage produit au dépens de l'énergie électrique relativement coûteuse, la question du rendement acquiert une importance beaucoup plus grande.

De grands progrès ont été récemment réalisés dans la construction des lampes à incandescence; mais, malgré tout ce qui a pu être fait dans cette voie, l'emploi de ces appareils no paraît qu'un pis aller; ils fournissent toujours une faible proportion de radiations lumineuses mêlées à des radiations calorifiques nombreuses et inutiles. Nous verrons comment, par un autre côté, on s'est attaqué à la question, et comment, au moyen de phénomènesélectriques différents, on peut obtenir des sources lumineuses donnant de la lumière froide.