Le courant alternatif (AC) est l'un des deux types de courant électrique utilisé pour transmettre l'électricité. Il est produit à l'aide de générateurs spécialement conçus à cet effet. Ces générateurs CA convertissent l’énergie mécanique en énergie électrique, facilitant ainsi une production efficace.
La découverte et le développement du courant alternatif (AC) ont impliqué plusieurs pionniers au fil du temps.
En 1831, Michael Faraday pose les bases avec sa découverte de l’induction électromagnétique. Il a démontré qu'un champ magnétique changeant pouvait induire un courant électrique dans un conducteur, principe essentiel pour générer du courant alternatif. À partir de là, Hippolyte Pixii a construit un premier générateur en 1832 qui produisait du courant alternatif, bien qu'il soit souvent converti en courant continu (CC) pour une utilisation à l'époque.
Au milieu du XIXe siècle, des ingénieurs comme Zénobe Théophile Gramme améliorent les machines à dynamo capables de générer du courant alternatif. Plus tard, Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs ont introduit les transformateurs et ont commencé à explorer le potentiel du courant alternatif pour le transport électrique, reconnaissant ses avantages pour la distribution d'énergie sur de longues distances.
Cependant, c’est Nikola Tesla dans les années 1880 qui a révolutionné l’utilisation du courant alternatif. Tesla a développé le moteur à induction et des générateurs de courant alternatif avancés, permettant la conversion efficace de l'énergie mécanique en énergie électrique alternative. Leurs travaux ont permis de transmettre du courant alternatif sur de longues distances avec une perte d'énergie minimale, une amélioration majeure par rapport aux systèmes à courant continu.
Les innovations de Tesla, combinées au soutien financier et commercial de George Westinghouse , ont fait du courant alternatif le système dominant de production et de distribution d'électricité. Alors que Faraday a fourni la base théorique, les contributions de Tesla ont rendu le courant alternatif pratique et transformateur pour les systèmes électriques modernes.
Les débuts de l’électricité : du DC au AC
Au début de l’utilisation de l’électricité, au XIXe siècle, le courant continu (DC) était le système dominant. Cependant, avec l’avènement du courant alternatif, mis au point par le scientifique Nikola Tesla, le monde a connu un changement révolutionnaire dans la manière dont l’électricité est produite, transportée et utilisée.
Découverte de la force électromotrice
La découverte de la force électromotrice (FEM) a été faite par le scientifique britannique Michael Faraday en 1831. Faraday a observé qu'un conducteur tournant dans un champ magnétique génère un flux constant d'électricité. Ce phénomène permet la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique.
La découverte de Faraday, connue sous le nom d'induction électromagnétique, a démontré l'interaction entre les champs électriques et magnétiques, conduisant à la compréhension de la force électromagnétique. Des décennies plus tard, James Clerk Maxwell a exprimé ces principes mathématiquement à travers ses célèbres équations.
Nikola Tesla et le système de distribution de courant alternatif
Nikola Tesla a été le premier à proposer un système de distribution d'électricité à courant alternatif. A cette époque, Tesla travaillait pour l’entreprise de Thomas Alva Edison.
En 1887, Tesla a construit avec succès le premier prototype de moteur à induction. Ce moteur fonctionnait avec un type de courant électrique dans lequel les électrons changeaient périodiquement de direction en raison d'une polarité alternée. Tesla s'est rendu compte que les générateurs de courant alternatif produisaient un flux électrique qui changeait de polarité plusieurs fois au cours d'une période de temps spécifique.
Les défis du transport de courant continu (DC)
Le principal défi du transport d’électricité en courant continu était de trouver un moyen efficace de transporter l’électricité sur de longues distances. Le courant continu, généré par les dynamos, circule dans une seule direction, avec des pôles positifs et négatifs constants.
Cependant, la distribution de courant continu présentait des inconvénients importants : sur de longues distances, elle provoquait une surchauffe des câbles et une dissipation d'énergie. Pour résoudre ce problème, il a fallu augmenter l’ampérage, mais cela a entraîné une augmentation des coûts et un gaspillage d’énergie.
En revanche, les systèmes à courant alternatif pourraient augmenter les niveaux de tension, permettant ainsi de transmettre l’électricité sur de longues distances avec une perte d’énergie minimale.
L'efficacité du courant alternatif (AC)
Le courant alternatif réduit considérablement les pertes de puissance sur de longues distances en permettant une transmission haute tension. Cependant, la haute tension est dangereuse pour les êtres vivants et doit donc être réduite avant de la distribuer aux maisons et aux usines. Ceci est réalisé grâce à des transformateurs.
Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs ont développé le premier transformateur à cet effet. Les transformateurs permettent d'augmenter la tension jusqu'à des niveaux très élevés (haute tension) tout en réduisant l'ampérage à des niveaux sûrs.
En 1885, le physicien William Stanley a également travaillé à l'amélioration de la transmission du courant alternatif. Il a appliqué le principe de l'induction électromagnétique pour transférer le courant alternatif entre des circuits électriquement isolés. Même si ses efforts n’ont pas été immédiatement couronnés de succès, le système de Nikola Tesla a fini par devenir la norme en matière de distribution d’électricité.
Pourquoi la distribution électrique s'effectue-t-elle en courant alternatif ?
Les principaux avantages de la distribution AC sont essentiellement au nombre de deux :
- Moins de pertes d'énergie sur de longues distances.
- Fiabilité et efficacité accrues des moteurs à courant alternatif.
Tesla a proposé à son employeur, Edison, fondateur de General Electric, un système de distribution de courant alternatif pour résoudre les problèmes de transmission longue distance. Cependant, Edison a refusé, car son système basé sur le courant continu était commercialement dominant à l'époque.
Malgré la résistance initiale, les avantages du système à courant alternatif de Tesla ont finalement prévalu. Cette compétition entre Tesla et Edison est connue sous le nom de « Guerre des courants », qui visait à déterminer quel était le meilleur système de distribution d'électricité aux États-Unis.
Westinghouse Electric Corporation a acquis les brevets de courant alternatif de Tesla et a remporté des contrats pour des projets majeurs, notamment la centrale hydroélectrique de Niagara Falls. Au XXe siècle, les systèmes de distribution de courant continu ont rapidement disparu. Le dernier système d'éclairage à courant continu de la ville de New York a été fermé en 2007.
La propagation du courant alternatif
L'adoption généralisée du courant alternatif (CA) a été grandement facilitée par le développement des transformateurs, qui ont permis la transmission efficace de l'énergie électrique sur de longues distances avec une perte d'énergie minimale. Les transformateurs ajustent les niveaux de tension, permettant une transmission haute tension, ce qui réduit la dissipation de puissance et améliore l'efficacité globale.
Cette capacité a rendu le courant alternatif plus rentable pour la transmission longue distance par rapport aux systèmes à courant continu (CC).
La capacité de transmettre efficacement de l’énergie sur de longues distances a changé la donne face à la demande croissante d’énergie électrique.
Par conséquent, le courant alternatif est devenu le système de distribution d’électricité dominant dans le monde, une condition qu’il maintient encore aujourd’hui.