Qui A Inventé le Petit Fil Tortueux À l’Intérieur de l’Ampoule?
Nous avons tous appris dans nos cours d’histoire que Thomas Edison avait inventé l’ampoule en 1879 et que le premier filament réussi était un morceau de fil de coton carbonisé qui brûlait pendant 13,5 heures. Aujourd’hui, les filaments d’ampoules ne sont pas une chose à laquelle nous pensons, à moins qu’ils ne s’épuisent, mais leur développement précoce est une histoire fascinante de la chimie et de la science des matériaux du 19ème siècle.
Edison a décidé de développer un système d’éclairage incandescent à une époque où il a été reconnu comme le plus grand inventeur du matériel télégraphique. À l’automne de 1877, Edison avait développé des informations critiques et a annoncé à la presse qu’il aurait bientôt un système à succès commercial.
Il a conclu qu’un régulateur de courant était nécessaire pour éviter la surchauffe du filament des bulbes. Soit un dispositif de dilatation thermique, soit un relais de type télégraphe pourrait être utilisé pour ouvrir le circuit lorsque le courant était trop élevé. Les disjoncteurs protégeant chaque filament signifiaient que les ampoules devaient être câblées en parallèle.
Heureusement, Edison connaissait suffisamment les lois de Joulens et d’Ohmns pour reconnaître que les lampes à haute résistance fonctionneraient le plus efficacement dans des circuits parallèles. Des expériences menées dans les laboratoires de Menlo Park, dans le New Jersey, ont révélé que la consommation d’énergie d’un filamentn était proportionnelle à sa surface rayonnante et non à sa résistance. En d’autres termes, les lampes à haute résistance ne nécessiteraient pas plusénergie que celles à faible résistance. La diminution de la surface rayonnante produisait en fait plus de lumière. Ainsi, le filament idéal serait le long d’un fil mince à haute résistance. Et une fois qu’il a atteint ce point en octobre 1878, Edison a cru quela lumière à incandescence était aussi bonne que déjà inventée.
Au moment où Edison avait lancé son projet d’éclairage en 1877, une vingtaine d’inventeurs avaient déjà construit des ampoules avec des filaments de platine ou d’iridium chauffés à l’air, ou des filaments de carbone chauffés sous vide. Le platine était le matériau idéal. Il avait un point de fusion élevé, pouvait être enroulé dans une bobine serrée, etrésistait l’oxydation. D’autre part, le carbone était trop facilement oxydé et difficile à protéger avec les technologies actuelles de vide. Plus tôt, les inventeurs ont essayé sans succès de contourner ce problème en utilisant des filaments de carbone dans des atmosphères d’azote et même d’hydrocarbures.
Pour surmonter les platinumnsexpense Edison a essayé de trouver de nouvelles sources et de développer des alliages de platine. Les deux efforts ont échoué, tout comme les tentatives d’utilisation de métaux moins chers. À ce moment-là, la presse, qui en était venue à attendre des miracles d’Edison, (ce qu’Edison lui-même encourageait fortement) s’impatientait des résultats.
Il est bien au-delà de la portée de cet article de décrire les travaux d’Edison 1878 sur les générateurs électriques, la publicité et la manière dont le soutien financier a été organisé pour le système d’éclairage incandescent. Autant dire que ces efforts ont été essentiels pour mener à bien le projet.
C’est en travaillant avec des filaments métalliques qu’Edison et son équipe ont apporté l’une de leurs contributions les plus importantes à la chimie. Les examens microscopiques et chimiques des filaments d’alliage de platine/ iridium chauffés à l’air ont révélé que l’oxydation était un problème majeur. Le métal semblait adsorber les gaz pendant le chauffage et que son point de fusion dépendait de la quantité de gaz dans ses pores. Ce qui était évidemment nécessaireétait une meilleure pompe à vide.
En peignant la littérature scientifique, le personnel de Menlo Park a appris que les deux meilleures pompes étaient les types de mercure Prengel et Geissler. Incapable de les acquérir, Edison a commandé à une entreprise de soufflage de verre de construire de nouvelles pompes qui combinaient les meilleures caractéristiques des deux. Une jauge McLeod a été ajoutée et le laboratoire a bientôt la pompe à vide la plus efficace au monde (bien que parfois capricieuse).
Le fait de chauffer du platine dans une meilleure vide dégazait les filaments et leur permettait à leur tour d’être plus minces et de résister à des températures plus élevées. Cela rendrait également le système moins cher car les disjoncteurs individuels n’étaient plus nécessaires pour chaque lampe.
Edison a finalement présenté ses travaux sur les gaz dans les métaux à l’Association américaine pour l’avancement de la science. Il est reconnu comme une contribution majeure à la chimie des métaux. Tout ce travail n’a cependant pas résolu le problème du coût desplatinumnes.
Armé d’une meilleure pompe à vide, Edison s’est maintenant tourné vers le carbone comme filament potentiel. Il a cherché une fibre naturelle qui pourrait être carbonisée. Parmi les nombreuses fibres essayées figuraient des poils humains, des poils d’animaux, des cornes finement tranchées, toutes sortes de fils et des spécimens botaniques du monde entier. Afin d’améliorer leur résistance, Edison a essayé d’imprégner les fibres carbonisées avec des bonbons de roche, de l’huile de baleine, de l’huile de coton et n’importe quel nombre d’hydrocarbures. En fin de compte, la fibre la plus réussie s’est avérée être mincebandes de bambou coupées.
Pendant ce temps, la presse, le public et les bailleurs de fonds s’impatientaient. Edison avait besoin d’ampoules pour ses projets de démonstration.Ainsi, les premières ampoules avaient des filaments de papier carbonisés. Même le papier le plus fin avait une irrégularité.répartition des fibres et épaisseur variée. Les filaments de papier n’ont duré qu’environ 300 heures.
C’est à ce stade que theresearch s’est scindé en deux chemins très différents. Inspiré par l’idéal du XIXe siècle d’un monde naturel généreux rempli de bonnes choses pour toute l’humanité, Edison a cherché une fibre naturelle quelque part dans l’atelier ≥Godns tout-puissant.≤ Ses rivaux ont tenté d’en créer un synthétique.
Comme ils l’ont vu, seul un filament de carbone anamorphique, dense et complètement uniforme fournirait un éclairage durable. Aucune fibre naturelle ne pourrait jamais répondre à ces exigences.
Edison a deux rivalités principalesont William Sawyer de New York et Edward Weston de Newark, New Jersey. Weston était originaire d’Angleterre qui est venuà l’âge de vingt ans aux États-Unis en 1870. Il s’est installé à New York où sa premièreposition chez un fabricant de produits chimiques photographiques. La chance de réorganiser une entreprise en faillite a conduit Weston dans le domaine de l’électrochimie. Comme à cette époque il n’y avait aucune source fiable de courant électrique, Weston commença à construire ses propres dynamos, qui devinrent à leur tour son entreprise principale.
Il s’installa à Newark, NewJersey en 1875 et, en 1877, avait acquis une ancienne synagogue sur Washington Street pour en faire la première usine de machines électriques du pays. Armé de bonnes dynamos et d’une très bonne connaissance de la chimie, Weston a relevé le défi de l’éclairage électrique un an avant Edison.
De nombreux lecteurs de l’indicateur reconnaîtront Weston comme l’inventeur de la cellule normale (la première unité standard d’un volt) et le fondateur de la Weston InstrumentCompany, l’un des fabricants d’instruments électriques les plus importants au monde. Ces deux réalisations étaient à l’avenir.
Bien que ses premiers succès commerciaux soient avec des lampes à arc extérieures, Weston a également travaillé au développement d’une lumière à incandescence pour une utilisation en intérieur. Ses premiers filaments d’ampoule ont été fabriqués en pressant un mélange de poussière de carbone et de goudron à travers une étroite ouverture. Mais quand ces fibres se sont avérées non homogènes, Weston a repensé à son époque de chimiste photographique et a décidé d’essayer le celluloïd.
Le celluloïd est fabriqué en combinant de la cellulose nitrée avec du camphre sous haute chaleur et pression. Parce qu’il est hautement inflammable, une forme stable était nécessaire pour être utilisée comme filament. Weston a estimé que le produit de départ ayant été oxydé, un traitement avec un agent réducteur dé-nitrifierait et convertirait le celluloïd en cellulose. En septembre 1882, il breveta un procédé où le celluloïd était immergé dans des bains contenant du sulfure d’ammonium hydraté, du chlorure ferreux ou du sulfate ferreux. Selon l’inventeur, le matériau de fabrication était ininflammable, dense, flexible et résistant.
Des filaments ont été découpés à partir de feuilles de ce matériau, que Weston a nommées ≥Tamidine≤. Les filaments ont été chauffés pour éliminer les gaz dissous, carbonisés et finalement les extrémités plaquées en cuivre.
Contrairement à Weston qui était un scientifique aguerri et à Edison qui était un chercheur très discipliné, WilliamSawyer était journaliste et inventeur à temps partiel d’équipements télégraphiques. Malgré un financement limité, une mauvaise compréhension théorique et un problème d’alcool, Sawyer a réussi à produire une ampoule de travail avec un filament de carbone. Mais lui et ses bailleurs de fonds ont précipité leurs ampoules dans la production sans d’abord prendre le temps d’affiner leur produit ou leurs techniques de production. Ils ont été forcés de quitter le projet avantjuin de 1878.
Sawyer a créé unprocessus essentiel à la production de filaments de carbone, il les a rendus ≥auto-réparables.≤ En chauffant doucement les filaments dans une atmosphère d’hydrocarbures, les points faibles et les marques de surface se réchauffent et brillent. Du carbone a été déposé sur ces taches jusqu’à ce que tout le filament ait une section transversale uniforme. Weston a fait la même découverte à peu près au même momentmais Sawyer a été le premier à breveter le procédé.
Pendant ce temps, de retour à MenloPark, Edison n’était pas resté inactif. Une fois que le bambou s’est avéré être un produit efficacefilament, une autre recherche a été faite pour l’espèce optimale. Tout d’abord, des spécimens de toutes les espèces de sauterespèces pouvant être obtenues aux États-Unis ont été essayées. Des agents ont ensuite été envoyés à Cuba et en Amérique du Sud pour chasser les herbes tropicales. William H. Moore a été envoyé au Japon et en Chine pour obtenir plus d’exotiquevariétés de bambou. Après une recherche approfondie, un contrat a été signé avec un producteur japonais près de Kyoto. Avant la fin des recherches de filaments, quelque 6000 espèces de bambous avaient été essayées.
Des scientifiques formés tirent leurs têtes sur la recherche de bambou Edisonns et ses détracteurs ont souligné l’effort comme une perte de temps monumentale. Ils ont manqué un point important, même si la recherche n’a pas réussi à générer un filament utilisable unique, elle a généré d’énormes quantités de publicité. Edison a mis un point d’honneur à être sur la piste chaque fois qu’un de ses chasseurs de filaments rentrait chez lui, puis avec l’observation de la presse, il interrogeait bruyamment l’homme sur ses résultats. Edison était également un lecteur avide des romans de JulesVernens et la recherche mondiale à travers les montagnes et les jungles ressemblait à l’une des parcelles de Vernens.
Et les filaments japonaisils ont bien fonctionné. En 1880, Edison étaitproduction d’ampoules pouvant durer jusqu’à 1500 heures.
Alors même que les derniers chasseurs de filaments d’Edison retournaient dans le New Jersey, l’industriel HiramMaxim (plus tard célèbre pour ses mitrailleuses) fabriquait des ampoules avec des filaments de Tamidon. Les redevances de brevet de ces filaments se sont avérées extrêmement précieuses pour Weston. D’une durée allant jusqu’à 2000 heures, la tamidine est rapidement devenue un défi compétitif sérieux pour le bambou et d’autres fibres végétales. Jusqu’à l’introduction de filaments de tungstène, de nombreuses ampoules du monde étaient fabriquées avec ce matériau.
En 1906, General Electricintroduit des ampoules à incandescence avec des filaments de tungstène.
Parmi la vingtaine ou la soinventors qui avaient travaillé sur les lumières à incandescence avant Edison, la plupart ne sont mentionnés que dans les meilleurs livres d’histoire. Edward Weston a peut-être eu le meilleur filament, mais il manquait un soutien financier impressionnant et une presse favorable. Bien qu’il ait obtenu les contrats d’éclairage des rues de Newark et plus tard du pont de Brooklyn, Weston s’est finalement retiré du secteur de l’éclairage et s’est tourné vers des instruments de mesure électriques. La société WestonInstrument a été fondée en 1888. Leur usine à l’angle des rues Newarkns Plane et Orange a sorti des milliers d’instruments. Le portefeuille de brevets de Westonns comprenait des avancées dans la galvanoplastie, les compteurs électriques, les fusibles, les batteries et les moteurs. La renommée croissante du laboratoire de recherche Westonns de Newark semble avoir poussé Edison à abandonner Menlo Park et à construire les énormes installations de recherche à West Orange, dans le New Jersey.