zénobe gramme - Musée des arts et métiers

Musée des arts et métiersL E S C A R N E T SZÉNOBE GRAMMEConservatoire nationaldes Arts et MétiersMusée Nationaldes Techniques1826-1901« Personne ne songeaità une machinequi pût concurrencerles piles dans laproduction decourant continuindustriel ».Louis Figuier,L'année scientifique,1867.L E S H O M M E S

2HistoireZénobe GrammeDE LA DÉCOUVERTE À LA PRODUCTION DE L’ÉLECTRICITÉ1600 • W. Gilbert invente le mot électrique.La distinction entre l'électricité (l'ambre frotté qui attire les corpslégers) et le magnétisme (l'acier frotté avec la pierre de Magnésiequi attire le fer) est désormais claire.1820 • Œrsted montre qu’électricité et magnétisme procèdentdu même phénomène appelé électromagnétisme.Un courant électrique au-dessus d'une boussole fait dévier l’aiguillede sa position initiale.XVIIIe • S. Gray distingue les corps conducteurs et les corpsisolants.Les conducteurs laissent passer l'électricité, ils ne peuvent s'électrifierpar frottement, les isolants peuvent être électrisés parfrottement, ils ne peuvent pas transmettre l'électricité.Dufay met en évidence l'attraction, la répulsion et la conductionde l'électricité.Découverte du condensateur utilisé pour emmagasiner del'électricité. On fabrique aussi des condensateurs en batterie.Expérience de la bouteille de Leyde.B. Franklin prouve avec le paratonnerre que la foudre est del'électricité.Le paratonnerre devient une protection des bâtiments contre lafoudre.1800 • Volta montre avec la pile que l'électricitépeut être créée par le seul contact de deuxmétaux différents avec une solution saline.La pile peut fournir de l'électricité sur une longuedurée : plus besoin de la recharger, comme la bouteillede Leyde, ou de produire un frottement, comme pour lamachine électrique.La bouteille de Leyde (inv. 7399)C'est une sorte de bouteille de verreremplie d'eau où plonge une tigemétallique que l'on charge d'électricité.L'expérimentateur tient à la main la bouteille,il ne se passe rien, car le verre est isolant : lescharges électriques sont bloquées sur la tige.S'il touche la tige métallique de l'autre main, ilreçoit alors une décharge : l'électricité passedirectement sur la deuxième main en contactavec la tige chargée. La bouteille de Leyde restituel'électricité sous forme de décharge : elleconstitue le premier condensateur.1821 • Ampère crée l’électrodynamiqueL’électrodynamique rend possible le moteur électrique.1825 • Sturgeon construit le premier électroaimant.Un électroaimant consiste en une barre de fer entourée d'un filde métal enroulé en bobine, dans lequel passe le courant. Lechamp magnétique produit augmente avec le courant et lenombre de spires.1831 • Faraday montre que l'énergie magnétique peut créerde l'électricité. C'est l'induction électromagnétique.En déplaçant un aimant, on modifie les lignes de force magnétique,ce qui induit un courant électrique dans un conducteursitué à proximité. Ce courant cesse dès que le mouvement del'aimant s'arrête.1830 - 1870 • Clarke, Pixii inventent les premièresmachines génératrices de courant, les magnétos.Elles convertissent le mouvement en électricité parl’utilisation d’aimants. Leur faible rendement limiteleur utilisation.1860 et 1864 • Pacinotti conçoit la dynamo.Elle ne sera connue qu'après le succès deGramme.Elle possède les caractéristiques de l'anneau deGramme : électroaimants inducteurs, induit enanneau avec bobinage continu, collecteur.1871 • La dynamo de Gramme.Le premier générateur moderne de courant, suffisammentpuissant pour être utilisé à grande échelle.Entraînée par une machine à vapeur, elle produit uncourant continu. Alimentée en courant électrique,elle peut produire de l’énergie mécanique : elle estréversible.Musée des arts et métiersL E S H O M M E S

3Une vieZénobe GrammeMusée des arts et métiersUNE VIE■ Un menuisier d'origine modesteZénobe Gramme naît à Jehay Bodegnée (province deLiège) le 4 avril 1826 dans une famille modeste. Il estle sixième de douze enfants. Son père, receveur déléguéaux Houillères, s'intéresse à l'instruction de ses enfants.Ses sœurs seront d'ailleurs enseignantes. Pourtant,Gramme est un élève médiocre. Il préfère, dès son plusjeune âge, se consacrer au travail manuel et montre alorsune ingéniosité certaine, alliée à un sens de l'observationrare. Son instruction demeurant rudimentaire, il désire seperfectionner et suit ses parents à Liège où il fréquenteassidûment les cours du soir de l'École industrielle.Pour gagner sa vie, il voyage de Bruxelles à Marseillemenant une vie de misère. Il parvient à Paris en 1856 oùil trouve un emploi dans un grand atelier de menuiserie.Quatre ans plus tard, il entre comme ouvrier modeleurà « L'Alliance », Société de construction d'appareillageélectrique. Il devient ainsi menuisier « rampiste » etfabrique certaines pièces en bois des machinesmagnétoélectriques de « L'Alliance », ainsi quedes modèles en bois pour l'orfèvre Christofle, premiergrand utilisateur de la galvanoplastie*.■ Une passion d'inventeur électricienSon apprentissage technique se renforce, développantson esprit inventif en éveil. Il imagine un régulateur pourles lampes à arc voltaïque souvent utilisées dans certainsphares en France et en Angleterrre. En 1863 il quitte« L'Alliance » pour se perfectionner chez le grandconstructeur d'appareillage électrique Ruhmkorff.Il assiste probablement aux leçons du physicien AntoineBecquerel au Conservatoire des Arts et Métiers, et entreen 1864 au service de l'ingénieur français Bazin.Parallèlement, il s'intéresse à la théorie et lit le manuelde Ganot, très utilisé pour la préparation du nouveaubaccalauréat ès sciences.Le courant arrive à une seconde dynamo et l’entraîne.Celle-ci actionne une moto-pompe qui met en route la chute d’eau.« La lumière électrique », t. 10.Dès le 26 février 1867, il prend un brevet pour plusieursdispositifs perfectionnant les machines à courant alternatif.L'année suivante le trouve à Londres où il travaillechez Disderi : il construit alors sa première dynamo réversibleà courant continu. De retour à Paris, il se consacreentièrement à ses recherches et continue de perfectionnerses inventions. La première note présentée après laguerre franco-prussienne aux comptes rendus del'Académie des sciences de Paris en séance du17 juillet 1871 par Jamin explique le principe de sa machine« à quatre pôles et auto-excitation ». Cette machineconstitue la nouveauté qu'annonce la revue, le« Moniteur scientifique » : la dynamo est née, détrônantla pile, l'accumulateur et les alternateurs comme sourcesd'électricité. Par le brevet qu'il dépose, il revendique lapropriété exclusive du principe de la dynamo. Une mutationindustrielle se prépare.*galvanoplastie : technique consistant à déposer des métaux sur dessurfaces conductrices à l’aide de réactions chimiques provoquées parle courant électrique (l’électrolyse).L E S H O M M E S

4Une vieZénobe Gramme■ Un industrielentreprenantRevenu de Belgique aprèsla guerre, Gramme s'associeà Hippolyte Fontaine,un industriel et ancienmenuisier. Ils fondent àParis la « Société desmachines magnéto-électriquesGramme » qui produitles premières dynamos,leur assurant uneprospérité rapide :Gramme installe ses premièresmachines dès 1873pour alimenter l'éclairagedes phares, puis pour remplacerles piles dans lesateliers de galvanoplastie.Il vend ses brevets àl'étranger, c'est dire l'importancede cette inventionreconnue de façonuniverselle. En 1880, ilobtient du gouvernementfrançais un prix exceptionnelde 20 000 francs et en1888, il se voit décerner leprix Volta de 50 000 francs,institué en 1852 par Louis-Napoléon, président de laRépublique. En France, enAllemagne, en Angleterre,aux États-Unis, de grandesfirmes comme Siemens etHalske, Westinghouse,Edison, commencent àconstruire des dynamosdont le principe reposetoujours sur la rotationd'un induit en anneau (ouen tambour) dans l'entreferd'un électroaimant.L'éclairage électrique, premièreutilisation de ladynamo, assure son succès.De nouvelles inventionsvont suivre : l'alimentationde la dynamo par un courantélectrique la transformeen moteur électrique.Cette inversion techniqueva permettre l'obtentionde courants de plus en plusforts, ouvrant ainsi l'èredes moteurs à fort courantpour la traction des tramways.Par la suite, la dynamoest transformée enalternateur : les courantsalternatifs obtenus offrentla possibilité d'une distributionde l'énergie électriqueà longue distance, àcondition de disposer delignes à haute tension. Ladécouverte du transformateurlève le dernier obstacleau plein essor del'électricité industrielle.En 1901, au momentmême où se dessine l'èrenouvelle, Gramme meurt.Il a 75 ans. Il laisse place àsa légende d'apprenti sorcierà laquelle d'aucunsvoudraient faire croire.Un manipulateur lance dans le fil télégraphique le courantd’une dynamo mue par le cours d’eau voisin.« La lumière électrique », t. 10.Au cimetière du Père Lachaise, une statue de bronzesurmonte la stèle de marbre rouge de Gramme.Cette statue de Mathurin Moreau représente Grammetenant dans sa main gauche le célèbre anneau d'inductionde sa dynamo, et dans sa main droite, un compas,vraisemblablement celui d'un menuisier, en référence àses premières activités. Une copie de l'original estdéposée au Musée des arts et métiers.Musée des arts et métiersL E S H O M M E S

5Œuvres et TravauxZénobe GrammePRINCIPE DE LA DYNAMO DE GRAMMEIl repose principalement sur l'utilisation du phénomènede l'induction électromagnétique.Musée des arts et métiers1. L'induction électromagnétiqueLe dessin de Grammeillustre ce phénomène. Enbougeant l'aimant N-S(appelé inducteur) devantle fil conducteur bobiné(l'induit), on fait naître uncourant appelé courantinduit, détecté par la déviationdu galvanomètre.2. L'anneau deGrammeLe fil conducteur est enrouléen plusieurs bobinesautour d'un anneau de ferdoux. Cet anneau (le rotor)tourne dans l'entre-ferd'un aimant fixe (le stator).Lorsqu'on fait tourner lerotor sur lui-même, lesbobines sont le siège d'uncourant induit dont le sensdépend de leur position :celles situées au voisinagedu même pôle ont un courantde même sens. Ainsi,la moitié gauche (n a n’)proche du pôle B est parcouruepar un même courantdont le sens estcontraire à celui de la moitiédroite (n b n’) situéeprès du pôle A. Les deuxmoitiés équivalent auxdeux pôles d'un générateurélectrique. Aussi, se pose leproblème : commentrecueillir le courant? C'estle rôle du collecteur.3. Le collecteurToutes les bobines sontreliées les unes aux autres.Au point d'attache dedeux bobines est fixé un filde cuivre dont la secondeextrémité est reliée à unelame de cuivre implantéesur un cylindre isolant. Lecollecteur conduit le courantissu des bobines del'enroulement et l'achemineaux balais (F et F’), diamétralementopposés, quifrottent directement surlui. Les balais alimententle circuit extérieur.La dynamo fournit doncun courant continu.Plus tard, les balais serontformés de flots de fils delaiton, dont l'emploi diminuela fréquence et l'intensitédes étincelles indésirables.Cette productiond'étincelles restera l'un desproblèmes les plus difficilesà surmonter pour lespremiers électrotechniciens.L’inductionélectro-magnétiqueL’anneau de GrammeLe collecteurL E S H O M M E S

6Œuvres et TravauxZénobe GrammeE N N’ E’AE S S’ E’ 1 1Machine industrielle de Gramme.4. L'auto-excitationde l'inducteurPour obtenir un courantplus intense, Gramme imaginede remplacer l'aimantpermanent par deux électroaimantsEE1 et E'E'1réunis par leurs pôles (N etN’, S et S’). Au point dejonction des pôles, deuxpièces en fer doux enveloppentl'anneau deGramme (A) et focalisentle magnétisme. Pour alimenterles électroaimants,Gramme invente ce qu'ilappelle « l'autoexcitation» : il utilise (partiellementou en totalité)le courant produit dansl'anneau; au démarrage,l'auto-excitation est obtenuepar magnétisme rémanent(lorsque le courantest stoppé, le noyaumagnétique conserve unepartie de son aimantation).5. Les derniersmodèlesLa dynamo de Gramme estdéfinitivement mise aupoint en 1872 pour unemachine à quatre électroaimantsverticaux et à quatrepôles (groupés deux pardeux). Cette dynamo àquatre pôles construitepour l'orfèvrerie deChristofle permet de déposer600 g d'argent en uneheure sur des couverts enlaiton plongés dans unbain de galvanoplastie.Sans formules théoriques,Gramme sait calculer samachine et obtient le résultatdésiré avec une énergiede 7,65 joules.Le modèle à deux électroaimantshorizontaux avecpièces polaires enveloppantes,destiné à l'utilisationen atelier, deviendrale modèle classique. Sastructure et surtout sonbâti en font des enginsrobustes qui peuvent fonctionnersouvent pendantplusieurs dizaines d'annéessans incidents, ouvrantl'ère de l'électricité industrielle.Le grand avantage de la dynamoJusqu'en 1871, le seul courant produit par des machinesest alternatif, il est fabriqué par les magnétos; le courantcontinu, utilisé en galvanoplastie, est fourni par des piles.Les rendements sont médiocres. La dynamo offre unesolution de remplacement avantageuse aux piles, le courantcontinu étant alors le seul dont on envisage les applications.À l'occasion de l'exposition universelle de 1878,une fausse manœuvre amène les fils d'une dynamo sur lesbornes d'une dynamo voisine, laquelle se met alors enmarche à la façon d'un moteur. Cette réversibilité, établiepar hasard, amène une première découverte : la transmissionpossible de l'électricité et sa distribution à distance.Par ailleurs, la réversibilité de la dynamo ouvre la voie àl'utilisation de moteurs industriels. La dynamo affirmeainsi définitivement sa supériorité sur les magnétos dontla réversibilité était alors inenvisageable techniquement.Les différentes machines productrices decourant électriqueNom induit inducteur courantMagnéto bobine aimant fixe alternatifen rotationDynamo bobine électroaimant continuen rotation fixeAlternateur bobine fixe aimant ou bobine alternatifen rotationMusée des arts et métiersL E S H O M M E S

7CollectionsZénobe Gramme■ Les collectionsMusée des arts et métiersMachine magnéto-électrique, inv.13434Grande machine électrostatique à plateau du duc deChaulnes, inv. 1633Pile de Volta, inv.1701-2Machine de Pixii, inv. 12190Électro moteurs en étoile de Froment et Pierret,inv. 9583 et inv. 9451Bobines de Ruhmkorff, inv. 6711Machine magnéto-électrique pour la production del'électricité par l'induction des aimants deRuhmkorff, inv. 6619Machine magnéto-électrique de Clarke, inv. 7522Machine magnéto-électrique de la compagniel'Alliance, inv. 8362 et inv. 9055Machine de Pacinotti, inv. 11212Dynamo de Gramme (1891), inv. 9649-2Transformateur de Gaulard, inv. 11756Moteur d'Edison, inv. 12255Transformateur monophasé construit par Schneideret Cie, inv. 13626/7Machinemagnétoélectriqued’après Nollet,inv. 13434Les collections du Musée des arts et métiers sontaussi consultables sur Internet.Adresse électronique :http://www.cnam.fr/museumDynamo de Gramme, inv. 9649-2POUR EN SAVOIR PLUSDocteur Louis Chauvois, Histoire merveilleuse de ZénobeGramme, inventeur de la dynamo, Paris, Albert Blanchard,1963Jean Pelseneer, Zénobe Gramme, Bruxelles, 1944Antoine Breguet, La machine de Gramme. Sa structureet sa description, Paris, 1880Christine Blondel, Histoire de l’électricité, Paris, Pocketcité des Sciences et de l’industrie, coll. Explora, 1994Louis Leprince-Ringuet, L’aventure de l’électricité, Paris,Flammarion, 1983François Caron et Fabienne Cardot (sous la direction de),Histoire générale de l'électricité en France, Espoirs etconquêtes (1881-1918), pp. 33-48 et pp. 92-112, Paris,Fayard, 1991Maurice Daumas, Histoire générale des Techniques, T. IV,« L'innovation du courant industriel », pp. 337-351,Paris, PUF, 1996L E S H O M M E S

8En classeZénobe Gramme■ Un moulind'électricitéProduisez votre courantélectrique. Pour cela, branchezl'ampoule sur la génératricede bicyclette.Frottez rapidement le galet(par exemple, sur votremanche). La lampe s'allume.■ Dynamo ou alternateurde bicyclette ?Enroulez autour de laboussole le fil électrique ducircuit que vous venez deréaliser avec la génératrice.Attendez l’immobilité del’aiguille et placez parallèlementle fil du circuit audessusd’elle. Lorsque toutest prêt, tournez délicatement,« pas à pas », legalet. Que fait la boussole ?Cette dynamo est en faitun petit alternateur : lecourant produit est alternatifavec un aimant tournant.■ Génératrice oumoteur ?Le moteur n°1 tourne sousl'action du courant. Sonmouvement entraîne lemoteur n°2 qui produit ducourant et allume l'ampoule.Un moteur électrique àcourant continu peut jouerle rôle d’une génératricede bicyclette.1 2■ Qu’y a-t-il dans unegénératrice de bicyclettepour produirede l’électricité ?L'aimant en forme de roueporte à sa périphérie unesuccession de pôles Nord etSud. Il tourne devant unbobinage de fil électriqueenroulé sur une armatureen fer. La variation demagnétisme entrant dansla bobine provoque l'apparitionde courant électriquedans le fil.Musée des arts et métiers• Rédaction : Claudette Balpe• Schémas : Serge Picard• Coordination : Élisabeth Drye• Conception graphique :Agnès Pichois, atelier Michel Bouvet,sur une idée de Olivier Delarozière• Photos : CNAM - Kharbine-Tapabor• Musée des arts et métiers ,Service éducatif292, rue Saint-Martin - 75003 ParisISBN : 2-908207-51-6L E S H O M M E S