ÉCLAIRAGE PAR LAMPES A ARC

149. Description sommaire. — Les lampes à arc se composent de deux crayons de charbon entre les extrémités desquels jaillit l'arc voltaïque. Pour que l'arc puisse se former, il faut que les deux charbons, d'abord en contact, s'écartent à une petite distance l'un de l'autre ; et, pour que la lumière soit fixe, il faut que cette distance soit aussi constante que possible. Pendant la formation de l'arc, les crayons brûlent, diminuent de long-ueur, il est nécessaire d'adopter un dispositif particulier pour conserver constante la distance de leurs pointes. Deux systèmes sont employés pour produire ce résultat.

On peut mettre les charbons à côté l'un de l'autre en les séparant par une matière non conductrice qui se volatilise grâce à la température élevée produite par la flamme de l'arc. On obtient ainsi une bougie ; mais les bougies exigent l'emploi des courants alternatifs pour que l'usure des charbons soit la môme.

Le deuxième système consiste à placer les charbons dans le prolongement l'un de l'autre, et c'est la disposition presque exclusivement employée aujourd'hui ; mais il est alors indispensable de recourir à un mécanisme spécial pour les maintenir à la distance voulue : les appareils construits à cet effet s'appellent des régulateurs^ Il existe une foule de systèmes de régulateurs pour courants continus et pour courants alternatifs.

l34 ÉCLAIRAGE ELECTRIQUE.

Presque tous les rég-ulateurs reposent sur un même principe : une fraction du courant ag-it sur une bobine d'induction qui attire plus ou moins un barreau de fer doux suivant l'intensité du courant. Le barreau est relié mécaniquement à l'un des charbons et l'entraîne avec lui lorsqu'il s'élève ou s'abaisse. L'arc voltaïque, en jaillissant, oppose au passage du courant une résistance plus ou moins considérable suivant que l'écartement des pointes de charbons est lui-même plus ou moins grand, et cette résistance fait varier l'intensité du courant qui traverse la bobine. Il s'établit ainsi, entre la distance des pointes et l'intensité du courant, un certain équilibre qui assure la régularité de la longueur de l'arc et par suite la constance de l'intensité lumineuse.

L'action du courant sur le barreau de fer doux se règle de trois manières différentes qui conduisent à classer les régulateurs en trois genres distincts. Les figures 89, 4o et 4i indiquent d'une façon schématique la disposition adoptée pour les différents cas, mais dans les appareils pratiques le mécanisme est un peu plus complexe. Le charbon D, au lieu d'être supporté directement par le morceau de fer doux, lui est relié par un enclenchement, pour permettre au crayon de se déplacer au fur et à mesure de son usure, tout en étant relié au barreau au moment même où l'action de la bobine doit se produire.

150. Régulateurs en série. — La bobine B est intercalée dans le circuit N G A D B S. Lorsque les charbons s'usent, l'arc s'allonge, la résistance du circuit augmente, l'intensité du courant diminue et l'attraction de la bobine varie dans le même sens. Le morceau de fer doux remonte par suite sous l'action du ressort antagoniste L, et ramène ainsi l'arc à sa valeur normale (fig. 89).

Ces appareils, appelés régulateurs en série, ont un in-

DISTRIBUTION DE l'ÉLECTRICITÉ POUR l'ÉCLAIRAGE. i35

convénient : pour qu'ils fonctionnent convenablement, chaque circuit ne doit comporter qu'un seul appareil. Si, en effet, on en place deux ou plusieurs en série dans un

Fig. 39.

même circuit, il peut arriver, au moment où Tun des arcs s'allong-e, que l'augmentation de résistance qui en résulte soit compensée par une diminution inverse produite par un autre régulateur. Le régime de la canalisation n'étant pas modifié, l'intensité du courant reste constante et le mécanisme de réglage n'agit pas.

Lorsqu'on veut disposer plusieurs régulateurs dans un circuit, il faut employer le procédé suivant,

151. Régulateurs en dérivation. — La bobine B, au lieu d'ôtre parcourue par le courant total, est traversée par une dérivation N B P S prise aux bornes de la lampe. Le

Fig. 4o

courant qui arrive au point N se partag-e entre les deux conducteurs N BP S et N C A D S, et l'intensité relative de chacune dos doux fractions est inversement proportionnelle aux résistances dos doux branchements, comme on pourrait s'en assurer par un calcul analog-uc à celui du n^ 29.

Si l'arc s'allonge, la résistance du branchement N C A D S s'accroît, et il en résulte une augmentation dans l'intensité du courant de l'autre fil, où se trouve intercalée la bobine. Celle-ci attire le barreau de fer ; le crayon inférieur se relève, l'arc diminue et le régime reprend son état normal.

Ces régulateurs sont dit excités en dérivation. Au moment où l'arc s'allonere, la résistance totale des deux bran-

DISTRIBUTION DE l'ÉLECTRICITÉ POUR l'ÉCLAIRAGE. 187

chements aug-mente, et par suite l'intensité du courant général diminue légèrement. A cet instant, et jusqu'à ce que

le régime normal soit de nouveau établi, il en résulte un faible abaissement dans l'éclat des foyers. On peut éviter cet inconvénient au moyen du dispositif indiqué ci-dessous.

152. Régulateurs différentiels. — Le courant se divise en deux parties suivant deux branchements, N G A D B S qui contient une première bobine B excitée en série et N B' S qui comprend une deuxième bobine B' excitée en dérivation.

Quand l'arc s'allonge, le courant s'affaiblit dans le premier circuit et augmente dans le second, de telle sorte que le noyeau de fer doux est sollicité à la fois et dans le môme sens par les deux bobines. Il entraîne avec lui le charbon D de façon à restituer à l'arc sa longueur normale. Cette action étant très rapide, l'appareil est plus sensible que le précédent, et la fixité de Tare est mieux assurée.

l38 ÉCLAIRAGE ÉLECTRIQUE.

Ces appareils sont appelés rég-ulateurs différentiels ou à double enroulement. Ils conviennent spécialement pour les installations comprenant, dans un même circuit, plusieurs lampes disposées en série.

Dans les différents systèmes de rég-ulateurs, les bobines dans les spires desquelles circule le courant principal sont formées par un g-ros fil ; celles qui sont comprises dans les dérivations sont constituées par un fil long- et fin, de manière à présenter une g-rande résistance et à ne laisser passer dans la dérivation qu'une très faible partie du courant total, quelques dixièmes d'ampère tout au plus. Cette fraction du courant est en effet absorbée en pure perte ; elle assure la fixité de Tare, mais aux dépens du rendement des appareils.

153. Usure des charbons. — Dans le cas des courants alternatifs, l'usure des charbons positif et négatif est ég-ale lorsqu'ils sont horizontaux ; quand ils sont verticaux, le charbon supérieur s'use un peu plus vite que le charbon inférieur.

Lorsqu'on emploie les courants continus, le charbon positif s'use à peu près deux fois aussi vite que le nég-atif lorsque les crayons sont de même diamètre et de même composition. Pour que l'usure des charbons soit moins différente, on se sert en g-énéral de crayons plus g-ros pour le positif que pour le nég-atif. De plus, au pôle positif, on emploie des crayons dits à mèche ou à âme, c'est-à-dire formés d'une partie centrale tendre plus conductrice, autour de laquelle est ag-g-lomérée une pâte de la même dureté que celle des charbons nég-atifs. Cette disposition particulière du charbon positif rég-ularise l'usure, et a surtout pour but d'augmer la fixité du point lumineux, l'arc s'établissant de préférence au point le plus conducteur, c'est-à-dire à l'extrémité de l'âme centrale.

DISTRIBUTION DE l'ÉLECTRICITÉ POUR l'ÉCLAIRAGE. iSq

Le charbon positif se place en g-énéral à la partie supérieure, et le nég-atif au-dessous.

L'usure des charbons représente une dépense appréciable dans Tentretien des lampes à arcs. On peut Tévaluer en moyenne, pour les deux charbons réunis, à 8 centimètres par heure, y compris les déchets. (M. Fontaine.)

154. Diamètre des charbons. — Les diamètres fixés pour les charbons varient selon les constructeurs. En moyenne, les diamètres adoptés sont les suivants :

iDtensité du courant. Charbon positif à mèche. Charbon négatif homogène.

ampères

millimètres

6 mi

illimètres

155. Puissance lumineuse. — La puissance lumineuse d'une lampe à arc varie beaucoup suivant l'incidence sous laquelle on la reg-arde. Le point le plus brillant du foyer se trouve, non pas au centre de l'arc proprement dit, mais à l'extrémité du charbon positif. C'est pour cela qu'on place en général ce dernier à la partie supérieure du rég-ulateur, de façon à projeter sur le sol le plus de lumière possible. La direction dans laquelle l'intensité des rayons lumineux est la plus forte fait un ang-le de 4o à 45® avec l'horizontale (fig-. 42).

KCLAIRAGE ELECTRIQUE.

156. Intensité moyenne sphérique. — Supposons qu'on divise la surface d'un plan vertical, passant par les crayons, en un grand nombre de petits ang-les ayant leur sommet au centre de Tare électrique (fig*.42) et découpant des zones ég-ales sur la surface d'une sphère, lorsqu'on fait exécuter à ce plan méridien une révolution complète autour des charbons ; si Ton Fig. 42.

relève l'intensité lumineuse du rayon envoyé par le foyer au milieu de chacun de ces ang-les, la moyenne de toutes les intensités lumineuses ainsi constatées s'appelle V intensité moyenne sphérique. Le nombre obtenu représente bien en effet l'intensité moyenne de l'éclairement d'une sphère ayant son centre au milieu de l'arc.

Un foyer dit de 5o carcels est celui dont l'intensité moyenne sphérique a cette valeur de 5o carcels.

En portant à partir du centre de la sphère sur un rayon OA, l'intensité lumineuse ON correspondant à sa direction, en répétant la môme opération pour tous les rayons, et en réunissant par un trait continu les points MNP, etc. ainsi déterminés, on obtient la courbe photométrique du foyer lumineux. La courbe OMNP de la fig"ure 42 représente la courbe photométrique d'une lampe à arc à courant continu et à charbons verticaux, le charbon positif étant placé audessus du négatif.

157. Puissance absorbée par les régulateurs. — On ne peut pas indicjuer (J'unç m^iiière absolue la rel^ion c|ui

DISTRIBUTION DE l'ÉLECTRICITÉ POUR l'ÉCLAIRAGE. ll^I

existe entre l'intensité lumineuse d'un arc et la puissance qu'il absorbe, ce rapport variant avec la perfection des régulateurs employés. Il faut compter, en g-énéial, sur uiie dépense de 4 à 6 watts par carcel, la dépense par carcel étant d'autant moins élevée que les lampes sont plus fortes. Pour un projet d'éclairag-e, on peut admettre l'échelle de proportion ci-dessous, qui représente à peu prés la moyenne des résultats constatés par de nombreuses expériences :

Intensité du courant en carcels 30 50 70 100 150 900 500 carcels.

Energie absorbée en watts par carcel 6 5,75 5,50 5,95 5 i,5 4 watts.

On voit par ces indications que la lumière des lampes à arc est beaucoup plus économique que celles des lampes à incandescence. Cette économie est réelle, bien qu'elle soit diminuée par la nécessité de diffuser dans l'espace, pour produire le môme éclairement local, une plus grande quantité de lumière lorsqu'on emploie l'arc que l'incandescence, ainsi que nous le verrons au n» 162. Aussi est-il avantageux de se servir de lampes à arc lorsqu'il s'agit d'éclairage industriel. L'éclairage par incandescence est un éclairage de luxe que l'on réserve aux usages domestiques, à moins que l'importance des espaces à éclairer ne soit trop faible pour motiver des foyers aussi puissants que les lampes à arc.

158. Voltage. — Les lampes à arc sont en général rt''glées pour fonctionner avec une différence de potentiel, aux bornes, de 35 à 55 volts, les plus faibles voltages correspondant aux régulateurs ayant le plus petit pouvoir éclairant. Il est impossible d'indiquer une corrélation absolue entre l'intensité lumineuse et la différence de potentiel aux bornes des lampes, le rapport existant entre ces deux éléments variant avec les dispositifs des appareils. Dans une estimation approximative, on peut admettre l'échelle de proportion suivante :

Intensité lumineus9 en carcels 30 50 70 100 150 200 500 carcels .

Différence de potentiel aux bornes en volt?. 40 42 i5 47 50 52 55 volts.

l42 ÉCLAIRAGE ÉLECTRIQUE.

Chaque constructeur indique d'ailleurs soigneusement la différence de potentiel pour laquelle ses régulateurs sont établis.

Par suite d'une bizarrerie, qui n'est pas bien expliquée, mais devant laquelle on est forcé de s'incliner dans la pratique, on a remarqué qu'il est indispensable d'intercaler entre la source d'électricité et les régulateurs une résistance produisant une chute de potentiel très notable.

Ainsi, par exemple, un régulateur de 5o volts ne fonctionne pas bien lorsqu'il est directement alimenté par une dynamo du même voltage, sans perte de charge. On est obligé, pour assurer la régularité de sa marche, d'avoir recours à une dynamo de 70 volts, et d'intercaler entre la dynamo et le régulateur une résistance suffisante pour amener une perte de 20 volts. On pense que cette résistance sert de volant pour compenser les petites irrégularités du mécanisme de rapprochement des charbons. Mais cette explication est incomplète ; lorsqu'une lampe à arc est alimentée par des accumulateurs, ceux-ci devraient en effet constituer un volant largement suffisant, et, malgré cela, l'utilité de la résistance intercalaire se fait encore sentir, bien qu'à un moindre degré.

De plus, on peut faire fonctionner convenablement deux lampes de 5o volts, en les mettant en série sur une dynamo de 1 10 volts, bien que la chute de potentiel ne soit dans ce cas que de 10 pour 100 au lieu d'atteindre 20 pour 5o ; il est probable que les irrégularités des deux lampes se c"t)ntrebalancent dans une certaine mesure, en laissant de la sorte un peu plus de latitude ; mais cette explication est toutau moins problématique.

159. Intensité. — L'intensité du courant absorbé par un régulateur augmente avec sa puissance lumineuse, sans toutefois lui être proportionnelle. Elle est égale au quotient

DISTRIBUTION DE L^ÉLECTRÎCITÉ POUR L*ÉCLAIRAGE. l43

du nombre de watts que Tare absorbe (n^ 167) parladififérencede potentiel aux bornes de la lampe (n® i58), d'après Ja formule bien souvent employée déjà W = El (n^ 82). Eu comparant les chiffres indiqués aux n^s précédents (167 et i58), on en déduit les rapports suivants entre la puissance lumineuse d'un arc et l'intensité du courant qui l'alimente.

Intensité lumineuse en carcels 30 50 70 100 150 5200 500 carcels.

intensité du courant en ampères 4,5 7 8,5 11 15 17 36,5 ampères.

Nous insistons de nouveau sur ce que ces chiffres n'ont rien d'absolu : ils varient un peu avec les constructeurs, mais ils peuvent servir de base à une évaluation première dans un projet d'éclairage.

160. Diffusion de la lumière. — A l'orig-ine, les lampes à arc éclairaient assez mal les locaux où la lumière a besoin d'être bien diffusée partout, comme les ateliers d'ajustage, les filatures, etc. Le point lumineux n'était pas bien fixe et produisait de fortes ombres portées ; de plus, son éclat était insupportable et faisait mal aux yeux. On remédie actuellement à ces inconvénients en construisant des régulateurs plus parfaits et en entourant l'arc voltaïque d'un globe dépoli, de manière à remplacer le point lumineux par une sphère dont l'effet est plus ou moins comparable à celui de la lumière émise par le soleil.

Aujourd'hui, de nombreux régulateurs construits de cette façon donnent de bons résultats, fournissent une lumière bien égale, se diffusant parfaitement et permettant de travailler sans fatigue dans les ateliers les plus minutieux.

On emploie beaucoup dans les filatures, les tissages, et en général dans les établissements où il est utile d'éclairer les locaux avec une lumière douce, homogène, qui ne fatigue pas la vue, le dispositif connu sous le nom d'arc renversé.

Il consiste à supprimer tous les rayons émis directement par l'arc vers le sol, en adaptant à la base du régulateur

l44 ÉCLAIRAGE ELECTRIQUE.

un réflecteur de ^rand diamètre qui le cache complètement aux yeux et qui renvoie tous les rayons lumineux vers le plafond de la salle. Le plafond est peint en blanc, afin d'absorber le minimum de lumière, et de réfléchir dans le local à éclairer, en les diffusant convenablement, les rayons émis par la source.. Dans ce cas, le charbon positif est situé au-dessous du négatif, au lieu d'être placé, comme nous l'avons indiqué au n» i53, à la partie supérieure du régulateur.

La réflexion sur une surface comporte toujours une certaine perte, et réduit quelque peu le pouvoir éclairant des lampes, mais cette diminution est largement compensée par l'uniformité de la répartition dans l'espace de la lumière émise par les foyers.

Dans le même but, on se sert également de globes diffuseurs. Ce sont des solides de révolution, en cristal moulé, dont la forme générale représente la superposition d'une série d'anneaux lenticulaires. Ces diffuseurs remplacent les globes dépolis ordinaires des régulateurs. Les rayons émis par l'arc sont réfractés à travers certaines facettes des lentilles, réfléchis par d'autres ; les courbures sont calculées de façon à supprimer pour l'œil le point brillant de l'arc et à le remplacer par un faisceau de rayons émis dans toutes les directions, assurant une répartition aussi parfaite que possible de la lumière dans l'espace.

161. Disposition des lampes. — La surface bien éclairée par une lampe à arc est d'autant plus étendue que la lampe est plus intense.

A l'air libre, pour éclairer un hall, une cour, etc., il faut placer les lampes sur des supports, et ces supports doivent être d'autant plus élevés que les lampes sont plus fortes.

Un régulateur de 200 carcels, par exemple, doit être placé à 12 mètres de hauteur environ et éclairera convena-

DISTRIBUTION DE l'ÉLEGTKICITÉ POUR L ECLAIRAGE. l4.5

blement une surface de 5oo mètres carrés. Un régculateur de 100 carcels, placé sur une colonne de lo mètres, éclairera une aire de 260 mètres carrés.

Dans un atelier, les régculateurs sont suspendus au plafond, au milieu de l'espace à éclairer. Le nombre et la puissance des rég-ulateurs varient avec l'intensité de la lumière qu'il est nécessaire d'obtenir. Pour assurer un éclairag-e convenable, dans un atelier d'ajustag-e, par exemple, il convient d'installer un rég'ulateur de i5o car^ cels pour une surface de 200 mètres carrés, ou de 70 carcels pour une surface de 100 mètres carrés, ou de 3o carcels pour une surface de 5o mètres carrés.

Lorsqu'on a besoin d'un éclairag-e très intense, comme dans un tissage, il devient nécessaire, dans certains cas, d'employer une lampe de 1 00 carcels par chaque 5o mètres carrés.

La puissance des lampes varie avec la hauteur d'étag-es. Ainsi des ateliers très élevés peuvent être sans inconvénient éclairés par des régculateurs de i5o carcels, tandis que des ateliers ordinaires doivent être éclairés par des lampes de 100 carcels au plus. Pour des ateliers vastes et très bas, de 3 mètres de hauteur par exemple, il faudra employer des régulateurs de 3o ou 4o carcels, espacés comme nous venons de l'indiquer.

Dans tous les cas, les murs et les plafonds des salleâ devront être soigneusement entretenus et revêtus de couleur blanche et mate.

Il peut être intéressant de déterminer exactement l'éclairement des différentes parties d'une salle contenant un certain nombre de foyers lumineux.

M. Maréchal a indiqué une construction très simple qui permet de s'en rendre compte très facilement, lorsqu'on connaît la courbe photométrique des foyers employés (n« i56).

ÉCLAlftAOË ELECTAtQl/E. * 9

Soit (fig. 43), I l'intensité lumineuse du rayon dans une direction donnée, exprimée en boug-ies.

6 Tang-le de ce rayon avec la verticale.

h la hauteur en mètres du foyer au-dessus du point M dont on veut déterminer Téclairement.

e Téclairement en boug-ies-mètre (n® 128) d'une surface plane horizontale qui passe par le point M.

D'après les lois de l'optique, on démontre facilement la formule