LAMPES A ARC VOLTAÏQUE

706. — Phénomène de l'arc voltaïque. — Le courant qui traverse une lampe à incandescence doit être modéré dans la crainte de produire une désagrégation rapide du filament, et l'intensité normale qu'on tolère est bien inférieure à celle qui produit le rendement lumineux maximum de la lampe , comme on le verra par les mesures photométriques. Pour atteindre tout l'effet lumineux dont le charbon est susceptible , il est nécessaire de sacrifier la matière en poussant l'incandescence jusqu'au degré de température où elle se volatilise rapidement.

C'est là le résultat obtenu dans Tare voltaïque , produit pour la première fois par Davy dans les conditions suivantes. Ce savant relia les deux pôles d'une pile puissante à deux bâtons de charbon de bois en contact. En séparant progressivement les charbons, il

BgO ÉCLAIRAGE ELECTRIQUE.

constata que les pointes voisines, amenées au blanc éblouissant, étaient réunies par un flot de gaz incandescent, courbé par le courant d'air chaud ascensionnel et auquel il donna, pour cette raison, le nom d'arc voltaïque.

Le charbon de bois se consumant rapidement , on Ta d'abord remplacé par du charbon taillé dans le dépôt qui se forme contre les parois des cornues à gaz pendant la distillation de la houille. Les crayons tirés de cette matière sont très durs, mais ils ont une grande porosité et renferment des impuretés qui se volatilisent dans l'arc en le refroidissant et en produisant des vacillations et des changements de coloration dans la lumière. Actuellement, on emploie exclusivement du charbon artificiel, obtenu par l'agglomération de poussier de coke très pur à l'aide d'une matière susceptible de laisser un résidu de charbon par la cuisson en vase clos.

707. — Étude de l'arc voltaïque. — L'arc voltaïque peut être considéré comme une étincelle électrique entretenue par la volatilisation du charbon, qui produit entre les pointes voisines des crayons une atmosphère rendue conductrice par sa température excessive. Cette conductibilité permet de maintenir l'arc avec une tension entre les deux charbons inférieure à 5o volts, alors qu'il faudrait à l'électricité une tension énorme pour franchir un intervalle semblable dans l'air à la température ordinaire. Aussi est-il nécessaire de mettre les charbons en contact et de les écarter progressivement pour amener l'arc voltaïque à la longueur voulue.

Lorsque le phénomène se produit dans le vide ou dans un gaz neutre, on constate un transport de matière dans le sens du courant; le charbon en relation avec le pôle positif du générateur se consume en se creusant, tandis que le charbon négatif se couvre d'une protubérance résultant de l'accumulation de la matière transportée. En même temps, on observe que du carbone volatilisé se condense contre les parois du récipient qu'il obscurcit rapidement. N'était cet effet, on trouverait avantage à développer l'arc dans un gaz neutre, afin de diminuer l'usure des charbons.

L'arc proprement dit a une teinte bleuâtre. Dans l'air, il est entouré d'une flamme rougeàtre due à la combustion du charbon volatilisé. Dans les grands arcs, cette flamme s'élève latéralement en léchant le crayon supérieur. Les extrémités des charbons, chauffées par le voisi-

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nage du foyer, sont brûlées par l'oxygène de Tair et affectent une forme tronconique d'autant plus marquée que les crayons sont moins denses; toutefois, l'apparence des deux bouts n'est pas la même sous l'action d'un courant continu. Le charbon,positif qu'on met généralement à la partie supérieure se creuse en forme de cratère , tandis que le crayon négatif prend une forme arrondie. Lorsque les crayons ont même diamètre et même composition, on constate que le charbon positif s'use environ deux fois plus vite que le charbon négatif. La température du cratère est telle que le charbon s'y ramollit et devient susceptible de recevoir des empreintes ou de se souder à la pointe négative, lorsque celle-ci est amenée au contact du crayon positif.

L'observation montre que l'arc proprement dit est bien moins brillant que les extrémités des charbons et, particulièrement, que le cratère du charbon positif, qui est le véritable foyer lumineux. Sur la somme de lumière fournie par l'arc, lo pour loo sont dus au crayon négatif et 5 pour loo à l'arc lui-même. Le spectre de l'arc contient toutes les couleurs du spectre solaire ; il renferme de même les rayons ultra violets particulièrement propres aux réactions chimiques, entr'autres à celles qui s'élaborent dans les tissus des végétaux pendant la croissance de ceux-ci et à celles qui servent de base à la photographie. Les arcs très puissants produisent sur la peau le phénomène particulier désigné sous le nom de coup de soleil.

Le spectre de l'arc est coupé de raies brillantes provenant particulièrement de la vapeur de carbone. M. Abney a reconnu que la composition spectrale du cratère est invariable quelle que soit la grandeur de l'arc et son intensité lumineuse totale. Cette observation tend à prouver que la température du cratère est invariable et qu'elle correspond au point de vaporisation du carbone. Cette remarque montre en même temps la raison pour laquelle toute matière étrangère contenue dans le charbon diminue la puissance lumineuse du foyer. Le carbone est, en effet, le corps qui possède le point de volatilisation le plus élevé ; tout autre corps simple doit diminuer la température du foyer, et, par suite, son éclat. Un corps composé est aussitôt dissocié dans l'arc et produit également un abaissement de température.

Le peu d'éclat de l'arc proprement dit, malgré la température

excessive de celui-ci, que M. Roseiti a estimée à 4 8oo<> C, tient au faiWe pouvoir émissif des vapeurs.

La pratique a montré qu'il est avantageux de placer les charbons verticalement dans le prolongement Tun de Tautre, le charbon positif étant au dessus et pas trop rapproche du charbon négatif, auquel on donne un diamètre plus faible. Le cratère qui forme le foyer lumineux est ainsi mieux dégagé et peut envoyer ses rayons latéralement vers le sol, sans que Tombrc portée par le charbon négatif soit gênante. Dans le but d'éclairer des objets situés au dessus du foyer, on dispose parfois le charbon positif en dessous du négatif. L'arc a alors une tendance à voyager autour des crayons.

708. — Résistance apparente de l'arc voltaïque. — On peut produire un arc voltaïque court, de o,5 mm environ, entre deux crayons de charbon, avec une différence de potentiel de 23 à 3o volts. Mais un tel écartement est difficile à maintenir. A la pointe négative, il se produit un champignon qui tend à souder les charbons et qui, par la rupture de son pédicule, occasionne un brusque écartement des crayons. Un arc semblable, à faible différence de potentiel, exige des charbons très denses et. très durs. L'écartement des longs arcs ordinairement adoptes dépasse 2 mm et la différence de potentiel des charbons varie de 40 à 43 volts. Dans un tel foyer, il ne se forme pas de champignon , parce que la pointe négative est brûlée par Toxygène de l'air, et la taille des crayons est beaucoup plus régulière. Un fait sirigulier consiste en ce qu'il est difficile de maintenir un arc sous les tensions intermédiaires entre 3o et 40 volts. Entre ces limites, les charbons sifflent et la combustion est irrégulière.

A mesure qu'on écarte les charbons pour allonger l'arc, la différence de potentiel doit être accrue pour vaincre la résistance de la masse gazeuse. Si Ton cesse de faire croître la tension avec Técartement des crayons, le foyer s'éteint. On peut toutefois interrompre le courant pendant un dixième de seconde sans crainte d'extinction, l'atmosphère gazeuse persistant entre les crayons pendant cet intervalle de temps. Cette remarque montre la possibilité d'alimenter l'arc par des courants alternatifs, dont l'intensité passe périodiquement par une valeur nulle. On peut courber l'arc et l'éteindre par un courant d'air ou en lui présentant un aimant, dont les lignes de force réagissent suivant la règle d'ampère.

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La différence de potentiel e, nécessaire pour maintenir un foyer à arc alimenté par un courant continu, peut être représentée par une fonction linéaire de la longueur de Tare. En supposant celle-ci égale à / , on a

e = a \- bl.

Le second terme du binôme représente la perte de tension résultant de la résistance propre de Tatmosphère incandescente. Le premier terme a a donné lieu à des interprétations diverses. Edlung et quelques autres physiciens y voient la représentation d'une force contre-électromotrice dont le foyer serait le siège. Mais on n'a fourni jusqu'à présent aucune preuve directe et probante de l'existence de celle-ci et il est difficile d'expliquer l'origine d'une différence de potentiel semblable, à moins qu'on n'admette que la force électromotrice de contact entre les crayons et l'arc soit relativement considérable. La plupart des électriciens sont d'avis que le terme constant exprime une chute de potentiel simplement due à la résistance au passage entre l'arc et les extrémités des crayons. Ce terme est variable avec la section de l'arc ; il se décompose en deux parties, l'une exprimant la chute de potentiel près du crayon positif, l'autre la chute de potentiel près du crayon négatif.

Avec des charbons de 12 mm de diamètre et un arc variant de 6 à 16 mm de longueur, M. Uppenborn a obtenu 38 volts pour la valeur de a. Il a mesuré la chute de potentiel entre les crayons et l'arc à l'aide d'un voltmètre et d'une baguette de charbon auxiliaire taillée en pointe et placée dans l'arc successivement près des deux charbons. 11 a trouvé 33,5 volts au crayon positif et 5,5 volis au crayon négatif. Ce résultat montre que la majeure partie de la chaleur volta'ique se développe dans le cratère et explique l'éclat particulier de cette partie du foyer.

M. S. Thompson attribue à la chaleur latente de vaporisation du carbone la chute de potentiel observée aux crayons, cette chute correspondant, d'après lui, au travail absorbé par le passage de l'état solide à l'état gazeux.

Dans l'incertitude où Ton se trouve quant à l'existence d'une force contre-électromotrice dans le foyer, on a désigné sous le nom de résistance apparente de ce dernier le rapport entre la différence de potentiel aux extrémités des charbons et l'intensité du courant.

Au point de vue de Teffet lumineux, il est avantageux d'employer des charbons aussi minces que possible. M. Schreihage a montré qu'à intensité de courant et à différence de potentiel égales la somme de lumière fournie par le foyer est sensiblement en raison inverse du diamètre des crayons, pour des crayons variant de 7 à i8 mm. Mais, dans le but de réduire l^usure et réchauffemcni par le courant , il faut faire croître le diamètre des charbons avec rintensité du courant.

M. Vogel a reconnu que l'économie de l'éclairage par arc voltaiquc augmente, jusqu'à une certaine limite, avec la longueur de ce dernier. Au delà d'une longueur donnée, le cratère disparaît, l'arc voyage autour du crayon positif et la lumière devient instable.

Pour les courants variant de 4 a 25 ampères, on fait usage de charbons positifs ayant de 8 à 18 mm de diamètre. Dans le cas de foyers très puissants , on emploie des faisceaux de crayons ou des charbons cannelés. Le charbon négatif a toujours une section inférieure à celle du charbon positif.

Lorsque les charbons sont très minces et très purs, il est possible d'obtenir des arcs de i à 2 ampères et 40 à 45 volts parfaitement stables , mais les mécanismes régulateurs de ces foyers deviennent très délicats, ce qui les fait écarter.

Les arcs puissants, de 100 ampères par exemple, sont également difficiles à maintenir et occasionnent, lorsqu'ils se dérèglent, un bruit assourdissant.

Les arcs les plus fréquents mesurent de 4,5 à 5 mm de longueur, les charbons ayant respectivement 12 mm et 8 mm. L'intensité du courant est voisine de 8 ampères et la différence de potentiel de 42 volts. L'usure totale des crayons est alors de 4 à 5 cm à l'heure.

709. — Emploi des courants alternatifs. — Lorsque Tare est alimenté par des courants alternatifs , les deux crayons sont le siège de phénomènes semblables et se taillent en pointe tous deux. Le charbon inférieur s'use légèrement moins que. le charbon supérieur, à cause du courant d'air ascensionnel qui tend à consumer latéralement ce dernier. Les pointes des deux charbons sont également lumineuses, ce qui amène la même répartition de lumière vers le haut que vers le bas , contrairement à ce qui a lieu avec les courants continus. Comme, en général, les objets à éclairer sont

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disposés sous le foyer, on est obligé de placer des réflecteurs au dessus des arcs à courants alternatifs. Ceux-ci n'exigent pas une différence de potentiel aussi forte que celle des arcs à courant continu. Tandis que ces derniers demandent en moyenne 40 à 45 volts, les premiers n'absorbent que 32 à 35 volts. Par contre, à intensité lumineuse égale , le courant doit avoir une intensité efficace plus grande avec les arcs alternatifs. Les variations des courants alternatifs font vibrer les crayons et déterminent dans la lampe un bourdonnement assez désagréable dans les appartements. On arrive à diminuer le bruit par l'emploi de globes fermés.

710. — Fabrication des charbons artificiels. — Les charbons employés dans les lampes à arc doivent être compacts et homogènes. Dans ce but, on a suivi pendant longtemps le procédé de fabrication employé par Carré et Gaudouin, et qui consiste à agglomérer du poussier de charbon de choix, graphite, coke de pétrole, de goudron, etc., au moyen de sirop de sucre, de gomme ou de tout autre agglutinant susceptible de laisser un dépôt charbonneux sous l'action de la chaleur en vase clos. La pâte est malaxée avec soin, puis passée à la filière sous une pression considérable , de manière à obtenir un cylindre de diamètre convenable, qu'on découpe en crayons de 25 à 40 cm. Parfois les baguettes de charbon sont formées en emprisonnant la pâte dans des moules de forme cylindrique sous une pression considérable. Ce procédé fournit des produits plus denses, mais de section moins régulière.

Les baguettes de charbon sont desséchées avec soin à Tétuvc sous une chaleur progressive, puis soumises à une carbonisation aussi complète que possible, afin d'éliminer de la paie tous les produits hydrocarbures. Les charbons retirés du four sont poreux. Pour les rendre compacts , on les plonge dans une dissolution concentrée et chauffée de sirop de sucre. La liqueur pénètre lentement dans la matière. Lorsque Timbibition des charbons est suffisante, on les sèche, puis on les carbonise de nouveau en élevant graduellement la température pour ne pas déformer les cylindres. Cette opération est répétée jusqu'à ce que les crayons aient atteint une compacité suffisante.

Actuellement, les fabricants de crayons sont arrivés à d'excellents produits après une seule cuisson, ce qui permet de supprimer l'opération longue et coûteuse du nourrissage. La matière servant

à composer la pâte est un mélange de graphite et de coke de cornue,

réduit en poudre impalpable et aggloméré par des goudrons déba-

rassés de toute matière alcaline ou terreuse. Les cokes provenant

de la distillation des huiles minérales ou de leurs résidus constituent

un produit particulièrement recherché pour cette fabrication. La

pulvérisation se fait à Taide de cylindres en acier ou de meules;

elle est poussée aussi loin que possible et la poudre est passée au

tamis. Le mélange avec le goudron s'opère au moyen de malaxeurs

et de meules valseuses. Ces diverses opérations sont destinées à

donner une pâte fine et homogène. L'air est expulsé de cette pâte

par un pilon mécanique qui bat la matière et la transforme en un

bloc cylindrique. Celui-ci est porté dans un cylindre dont le fond

présente un orifice étroit et dont le piston est soumis à une pression

hydraulique de 200 à 3oo atmosphères. La pâte est ainsi tréfilée, en

deux ou trois passes, sous forme de crayons qu'on entasse dans

des creusets réfractaires. On a soin de chaufferies cylindres par

une enveloppe de vapeur, ce qui ramollit le goudron et permet de

réduire la proportion de ce dernier dans le mélange. La cuisson

est effectuée dans un four à gazogène comprenant des chambres

séparées dans lesquelles on peut faire varier la température par

degrés, pour volatiliser lentement les hydrocarbures et permettre

à la matière de conserver sa compacité lors du refroidissement.

L'opération dure de 7 à 8 jours.

Pour vérifier la qualité des charbons, on a coutume de les disposer dans un régulateur sensible et d'enregistrer les variations de tension de l'arc à l'aide d'un voltmètre.

Les crayons destinés à former le pôle positif de l'arc sont généralement pourvus d'une mèche ou âme en pâte de charbon séchée, et non cuite , de manière à conserver une légère proportion d'hydrocarbures. La volatilisation de ceux-ci augmente la conductibilité de l'atmosphère au centre de l'arc. Le peu de dureté de la mèche maintient le cratère dans l'axe du crayon positif.

Les crayons très minces sont recouverts d'un dépôt de cuivre dans le but d'augmenter leur conductibilité. Les crayons du commerce, de II à \b millimèires de diamètre, ont une résistance variant de 0,45 à 0,6 ohm par mètre. Le charbon de cornue présente une résistance 5 à 20 fois plus grande.