CHAPITRE XXXII

366. Éclairage par incandescence. — L'énergie électrique est employée à l'éclairage sous deux formes ; Vincandescence et Varc voltaïque.

La première méthode consiste à porter un fil conducteur à une température assez élevée pour qu'il devienne lumineux. On a d'abord essayé le platine, mais il se désagrège rapidement. Le corps qui se prête le mieux à cet emploi est un filament de charbon placé dans le vide pour éviter sa combustion par l'air. Dans la lampe Edison (fig. 297), le charbon est un filament de bambou convenablement calciné; il est fixé aux extrémités de deux fils de platine soudés dans le verre et formant électrodes ; le tout est renfermé dans une ampoule où l'on fait le vide avec une pompe à mercure.

L'éclat lumineux augmente rapidement avec l'intensité du courant ; mais la durée de la lampe diminue d'autant.

Les conditions du maximum d'économie sont celles où le gain en lumière et la perte en durée, évalués tous deux en argent, se compensent exactement.

L'équilibre de température est atteint, quand la quantité

Fig. 29:

de chaleur perdue par rayonnement est égale à celle qui est dégagée en vertu de la loi de Joule. Le rapport qui existe entre la quantité de lumière émise et l'énergie dépensée est fonction de la température seule, et ne dépend pas de la forme des filaments de charbon, à la condition qu'ils aient le même pouvoir émissif. En mesurant la quantité de chaleur abandonnée par la lampe à un calorimètre à parois opaques qui absorbe la totalité du rayonnement et à un calorimètre transparent qui laisse passer toute la partie lumineuse, on trouve qu'en marche normale celle-ci représente environ 5 p. loo de l'énergie totale.

Une lampe Edison donnant 1,71 carcels fonctionne avec un courant de 0,8 ampère et une différence de potentiel de 100 volts; elle dure environ 1,000 heures.

L'énergie consommée par seconde est 100X0,8 = 80 watts, un peu plus d'un dixième de cheval; ce qui donne environ 16 carcels par cheval. La résistance d'une lampe à chaud est

de — - = 125 ohms.

Les lampes sont généralement placées en dérivation. Supposons qu'on ait n lampes identiques ; soit r la résistance de chacune d'elles, i l'intensité du courant qui la traverse ; soit, d'autre part, E la force électromotrice du générateur d'électricité et R. la résistance du circuit en dehors des lampes ; la résistance p de l'ensemble des n lampes en dérivation

, -, ?' est égale à -, et on a

^■, le travail utile est iiri- et le rendement

nR + r

Supposons qu'on veuille faire fonctionner des lampes du type précédent au moyen d'une pile de Bunsen. Admettons que la résistance extérieure R se réduise à celle de la pile ; pour obtenir le maximum de travail il faut prendre

n\i=zr= 12 j ohms. La formule précédente donne en appelant X le nombre des éléments

D'où Ton tire x = îi2,iAl faudra donc 1 12 éléments en série

linéaire quel que soit le nombre de lampes à entretenir. La

résistance seule des éléments devra varier avec le nombre des

lampes et sera escale à = ohms.

Les lampes Edison exigent une grande force électromotrice et un faible courant. Gomme type opposé, nous citerons la lampe Bernstein, formée d'une tige de charbon rectihgne et qui fonctionne avec un courant de 10 ampères, sous une différence de potentiel aux bornes de 7 volts, ce qui donne 0,7 ohms pour la résistance de la lampe à chaud. Les lampes sont montées en série. Un calcul analogue au précédent montrerait que pour les faire marcher avec des éléments Bunsen, il faudrait, en travail maximum, prendre par lampe 8 éléments ayant chacun une résistance huit fois plus petite que celle d'une lampe.

L'emploi d'une pile n'est indiqué ici qu'à titre d'exercice. Dans la pratique, les lampes sont toujours alimentées par des dynamos. Considérons une installation de 1000 lampes. Avec les lampes à grande résistance de type Edison placées en dérivation, la dynamo devra donner 800 ampères sous une force électromotrice de 100 volts. Avec des lampes du type Berstein, placées en série, il faudrait 10 ampères avec 7000 volts. Gomme aucune machine ne pouvant fonctionner pratiquement dans ces dernières conditions, on pourra distribuer les lampes en 5 séries parallèles de 200 chacune. Il suffira alors d'un courant de 5o ampères sous une force électromotrice de 1400 volts. Dans ces nombres, nous ne tenons pas compte de la résistance du circuit.

367. Arc voltaïque. — Davy ayant attaché deux tiges à charbon aux pôles d'une pile de 2 000 éléments et les ayant

écartées doucement après les avoir mises en contact, vit jaillir entre les deux pointes une espèce de flamme à laquelle il donna le nom d'arc électrique. Le phénomène est tellement brillant qu'on ne peut l'observer qu'à travers un verre noirci; un procédé plus commode encore est de projeter sur un écran, au moyen d'une lentille, l'image de l'arc et des deux charbons. On reconnaît que l'arc a bien moins d'éclat que les pointes mêmes des charbons {fig. 298) ; que le charbon positif est plus lumineux et sur une plus grande longueur que le charbon négatif, ce qui est L'indice d'une température plus élevée ; que le charbon positif se creuse en forme de cratère, tandis que le charbon négatif se taille en pointe ; enfin que le charbon positif s'use plus vite que le charbon négatif. Dans le vide, à part l'action de l'air sur les charbons, les choses se passent de la même manière et on constate nettement qu'il y a transport de matière du charbon positif au charbon négatif.

La température de l'arc est très élevée, et des matières très réfractaires, comme le platine, y fondent facilement. Aussi ne peut-on obtenir un arc durable qu'avec des tiges de Fig. 298. charbon. Pour l'éclairage, il y a avantage à . prendre le charbon supérieur comme charbon positif. Quand on veut employer la chaleur de l'arc pour fondre ou volatiliser un corps, on place, au contraire, le charbon positif en bas et on taille son extrémité supérieure en forme de coupe.

La lumière émise est très riche en rayons très réfrangibles et paraît bleue par rapport à celle du soleil. Auspectroscope, les charbons donnent un spectre continu s'étendant très loin vers le violet ; l'arc comme tous les gaz incandescents donne un spectre cannelé présentant les raies du carbone et celles des métaux qui peuvent se trouver dans les charbons.

Les expériences calorimoLriqiics en vase transparent et en vase opaque, montrent que la fraction d'énergie convertie en rayons lumineux est environ le dixième de l'énergie totale dépensée dans l'arc.

L'arc obéit à l'action de l'aimant li la manière des courants mobiles.

368. Force électromotrice de l'arc. — Si on mesure, soit au moyen d'un électromètre, soit au moyen d'un galvano^ mètre h grande résistance, la différence de potentiel qui existe entre les deux charbons, on ne la trouve jamais inférieure h 3o volts. Elle varie de 3o à 70 volts. L'expérience montre que cette différence de potentiel, ou chute de potentiel, qui se produit naturellement dans le sens du courant, se compose de deux parties, l'une fixe, indépendante de l'intensité et de l'écart des charbons (111), qui se comporte par conséquent comme une véritable force électromotrice et qui est d'environ 3o volts, l'autre qui varie avec l'intensité du courant et l'écart des charbons et qui est due à la résistance du milieu interposé ; cette résistance augmente avec la distance des charbons et diminue quand l'intensité du courant augmente et par suite la température. Si E est la différence de potentiel observée, c la force électromotrice de l'arc, ?' sa résistance, on peut poser

E = e + Ir,

L'existence d'une chute fixe de potentiel jouant le rôle d'une force électromotrice inverse, explique comment on ne peut obtenir un arc avec une pile de force électromotrice trop faible, quelle que soit d'ailleurs l'intensité, et pourquoi, quand on dispose d'un grand nombre d'éléments, il est plus avantageux, à partir d'une certaine force électromotrice, de les grouper en séries parallèles plutôt qu'en série linéaire. L'expérience montre qu'avec 20 éléments Bunsen montés en série, l'arc peut apparaître quelques instants sans pouvoir se maintenir; d'autre part, qu'il est difficile d'entretenir un

arc avec une intensité moindre que 5 ampères. Si on porte ces nombres dans la formule d'Ohm, on trouve

1,8X25 — 3o ^ ^ — ■■ — ~— =^5 ohms

pour la résistance totale du circuit, pile, arc et fils, ce qui est bien d'accord avec les faits.

369. Travail de l'arc. — 11 en résulte qu'on peut prendre 3oX5= i5o watts comme le minimum de travail correspondant à un arc. Une belle lumière électrique d'une intensité de loo carcels correspond à peu près à une intensité de i5 ampères et une différence de potentiel de 5o volts aux charbons, soit à un travail de 730 watts ou sensiblement un cheval. L'intensité lumineuse croît beaucoup plus vite que l'énergie dépensée ; aussi, eu égard à la quantité de lumière fournie, les gros foyers sont beaucoup plus économiques que les petits.

370. Emploi des courants alternatifs. — Avec les courants alternatifs la lumière est aussi fixe qu'avec les courants continus, bien qu'elle donne lieu à un bourdonnement particulier dont la hauteur dépend du nombre des renversements du courant, lequel, avec les machines usuelles, est en général de 160 par seconde. Les charbons s'usent également. Il est facile, au moyen d'un espèce de phénakisticope, d'examiner et même de photographier leur état aux différentes phases de la période. L'arc disparaît au moment où le courant est nul ; mais il se rétablit de lui-même à distance dans le gaz incandescent. L'éclat des deux charbons varie périodiquement et passe par des maxima et des minima; en outre, chacun des deux charbons devient à son tour plus lumineux quand il est positif.

Si on mesure pour chaque instant la différence de potentiel des deux charbons, on trouve qu'elle ne varie point, comme l'intensité du courant, suivant les ordonnées d'une sinusoïde : elle garde une valeur absolue presque constante qui change

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très rapidement rie signe au moment de l'inversion du courant, résultat qui s'accorde bien avec l'existence d'une force électromolrice inverse.

371. Charbons. — Davy employait le charbon de bois. Foucault lui substitua le charbon de cornue, plus conducteur, plus dur et s'usant moins vite. On préfère aujourd'hui les charbons artiiiciels qui sont plus purs, plus homogènes et d'une forme plus régulière. Ces charbons sont ordinairement fabriqués avec une pâte formée de coke en poudre, de noir de fumée et d'un sirop de gomme et de sucre très épais. Le tout est bien mélangé, comprimé, passé à la filière, séché et durci à haute température. On donne ensuite au charbon plusieurs cuissons alternant avec des immersions prolongées dans le sirop bouillant. On emploie souvent maintenant pour le charbon positif, sous le nom de charbon à mèche, des charbons dont le centre présente une composition différente de celle du charbon lui-même. Ces charbons se taillent mieux et donnent un arc plus régulier, tel que celui de la figure 298. La pureté des charbons est un point très important ; ils doivent être surtout exempts de silice.

372. Régulateurs. — Une nécessité de premier ordre à laquelle doit satisfaire tout système d'éclairage est la fixité de la lumière. Pour obtenir cette fixité avec l'arc, malgré l'usure des charbons et les variations accidentelles du courant, on emploie des régulateurs. Nous nous contenterons d'indiquer l'idée fondamentale des principales dispositions employées.

Deux mécanismes sont évidemment nécessaires, l'un qui rapproche les charbons quand le courant diminue et les ramène au contact quand il est nul, le rallumage à froid ne pouvant se faire qu'au contact; l'autre qui les écarte quand l'intensité tend à augmenter. Si l'on veut que le point lumineux soit fixe, les deux charbons doivent se mouvoir en même temps de quantités égales, si le courant est alternatif; le charbon positif d'une quantité double de charbon négatif, si le courant est constant. Autrement, il suffit qu'un des charbons

soit mobile. Le plus souvent le charbon supérieur, qui doit toujours être le charbon positif, tend à descendre par son propre poids; le mécanisme a pour fonction de le soulever d'une quantité convenable. Ce mécanisme, quel qu'il Boit, est commandé par une bobine fonctionnant par l'action du courant. Deuxsj^stèmes sont employés : dans l'un la bobine est traversée par -le courant tout entier et le réglage se fait pour une intensité donnée du courant; dans l'autre, le fll delà bobine est un fil très fin formant une dérivation par rapport aux deux charbons; le réglage se fait pour une même intengité du courant dans la bobine; mais cette intensité ne dépendant que de la différence de potentiel aux extrémités de la dérivation, le réglage se fait en réalité pour une différence fixe de potentiel de l'arc. Le premier système agissant sur l'intensité totale ne peut être appliqué qu'aux lampes qui fonctionnent seules dans un circuit; quand plusieurs lampes sont en série dans le même circuit, il faut qu'un régulateur en équilibre ne soit pas influencé par le jeu d'un régulateur voisin ; le second système satisfait suffisamment à cette condition.

373. Bougies électriques. — Dans les bougies Jablochkoff tout mécanisme est supprimé; les deux charbons sont placés côte à côte et séparés par une lame isolante formée de plâtre et de sulfate de baryte à laquelle on a donné le nom de colombin. Les bougies marchent avec un courant alternatif pour que l'usure soit égale ; la matière isolante se volatilise au Fig. 299. fi-^i' et à mesure de l'usure des charbons.

Les bougies à charbon de 4 millimètres de diamètre fonctionnent avec un courant moyen de 8 à 9 ampères sous une force électromotrice de 42 à 43 volts, et donnent une intensité d'environ 40 carcels. Elles n'ont pas la

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fixité des bons régulateurs; mais cet inconvénient est compensé dans beaucoup de cas, l'éclairage extérieur par exemple, par la simplicité de leur emploi. Leur invention a été le signal du grand développement pris par l'éclairage électrique dans ces dernières années.

374. Soudure électrique. — L'arc électrique est de tous les procédés de chauffage connus celui qui permet de concentrer la plus grande quantité de chaleur en un point donné. L'industrie commence à s'en servir pour la soudure autogène des métaux, du fer par exemple. Pour souder deux plaques de tùle, on les applique l'une sur l'autre, et les ayant mises en communication avec le pôle négatif d'une pile de 80 h 90 volts, on promène le long de l'arête le charbon positif; l'arc qui éclate entre le charbon et le fer fond le fer sur son passage et soude intimement les deux pièces sans interposition de tout métal étranger.

Un autre procédé tout différent pour souder les pièces bout à bout consiste à aborder les deux pièces convenablement travaillées en les pressant l'une contre l'autre et h faire passer un courant capable d'amener h la fusion la surface de contact. On a pu souder ainsi des barres d'acier de 20 millimètres de diamètre. Le courant, qui ne doit d'ailleurs durer qu'un temps très court, doit avoir une grande intensité et une très faible force électromotrice. Dans les expériences en question, il était produit au moyen d'un transformateur. L'appareil était disposé de manière qu'un courant moyen de 20 ampères et de 600 volts dans la bobine primaire donnât i volt et 12000 ampères dans la bobine secondaire.