Qu’a inventé Nikola Tesla ? Ses brevets et ses limites

Points clés

• L’invention la mieux documentée de Tesla est le moteur à induction polyphasé à courant alternatif (CA) et le système construit autour de lui. Les brevets américains 381 968 et 382 280 ont été délivrés le 1er mai 1888.
• Galileo Ferraris est parvenu seul au champ magnétique tournant à Turin à partir de 1885, l’a présenté en mars 1888 et ne l’a jamais breveté.
• Tesla n’a inventé ni le courant alternatif, ni le transformateur, ni la lampe à incandescence, ni les rayons X. William Stanley a éclairé des boutiques de Great Barrington avec du courant alternatif et des transformateurs le 20 mars 1886.
• Le 21 juin 1943, cinq mois et demi après la mort de Tesla, la Cour suprême des États-Unis a invalidé les revendications larges d’un brevet radio de Marconi. Elle s’est appuyée surtout sur un brevet de John Stone Stone et n’a pas jugé que Tesla avait inventé la radio.
• Le musée Nikola Tesla de Belgrade recense 112 brevets américains et au moins 311 brevets dans 27 pays, dont beaucoup sont des copies d’une même invention déposée à l’étranger.

Le 16 mai 1888, Nikola Tesla, alors âgé de 31 ans, se lève devant l’American Institute of Electrical Engineers à New York. Il remercie le professeur Anthony de son aide, puis s’excuse. Le préavis a été court, dit-il, et il n’a pas traité le sujet aussi complètement qu’il l’aurait voulu, « ma santé n’étant pas au mieux en ce moment » (le texte de la conférence).

Puis il s’attaque à la partie de la machine à courant continu avec laquelle les ingénieurs de l’époque se débattaient. Cette machine a besoin d’un collecteur, un commutateur tournant qui inverse sans cesse le courant dans ses bobines à mesure qu’elle tourne. Tesla l’appelle « un dispositif compliqué » et « la source de la plupart des ennuis » des machines électriques. Il est venu présenter un moteur qui fonctionne en courant alternatif et se passe totalement de collecteur.

Quinze jours plus tôt, l’Office des brevets américain lui avait délivré les brevets qui le couvraient. L’un d’eux, US 381 968 pour un « moteur électromagnétique », indique dans son en-tête que la moitié en appartenait à Charles F. Peck, d’Englewood, dans le New Jersey.

Ce moteur, et le système qui l’entoure, est la réponse la plus solide à la question de ce que Tesla a inventé. Le reste de la liste est plus long et plus confus que la plupart des récits ne l’admettent. Il a breveté le transformateur résonant aujourd’hui appelé bobine de Tesla, un bateau radiocommandé, une turbine sans aubes, une valve à sens unique sans pièce mobile et un aéronef à décollage vertical. Il n’a inventé ni le courant alternatif, ni le transformateur, ni l’ampoule électrique, ni les rayons X. La radio est le cas difficile, et la décision de la Cour suprême de 1943, souvent citée en sa faveur, en dit moins que sa réputation. Ses prévisions sur l’avenir sont traitées dans notre article sur les prédictions de Tesla, et la lutte commerciale dans Tesla contre Edison.

Comment un champ magnétique tournant fait tourner un moteur sans balais

En 1888, l’alimentation des moteurs était « presque entièrement limitée » au courant continu, dit Tesla à son auditoire. Le courant continu circule dans un seul sens. Pour que le rotor continue de tourner, il fallait inverser le courant de ses bobines au bon moment, et le collecteur y parvenait par des contacts glissants appelés balais. Les étincelles aux contacts glissants gaspillent de l’énergie et raccourcissent la vie d’un moteur, comme le note HyperPhysics.

La réponse de Tesla tient en deux étapes. D’abord, faire tourner le champ magnétique lui-même. Prenez deux bobines à angle droit et alimentez chacune en courant alternatif, décalé d’un quart de période. Quand le courant de la première bobine est à son maximum, celui de la seconde est nul, et le champ est donc orienté selon la première bobine. Un quart de période plus tard, les rôles s’inversent et le champ est orienté selon la seconde. Puis le premier courant atteint de nouveau son maximum, en sens inverse. La direction du champ fait le tour du cercle, un tour complet par période, sans que rien ne bouge. Le brevet de Tesla parle d’un « déplacement progressif du magnétisme ». Dans la version triphasée que décrit Britannica, trois bobines et trois courants produisent un champ qui tourne à intensité constante.

Ensuite, placez dans ce champ un rotor fait de barres métalliques reliées en boucles fermées, sans aucun fil qui l’alimente de l’extérieur. Quand le champ balaie les barres, il y induit une tension. Les boucles étant fermées, un courant circule. Un courant placé dans un champ magnétique subit une force, et cette force entraîne le rotor dans le sens où tourne le champ. Le rotor ne prélève aucun courant sur l’alimentation, ce qui explique que ce moteur n’ait pas besoin de collecteur (HyperPhysics).

Le rotor ne peut jamais tout à fait rattraper le champ. S’il tournait exactement à la même vitesse, le champ serait immobile par rapport aux barres. Aucune tension ne serait induite, et la poussée disparaîtrait. Le rotor tourne donc un peu plus lentement, et les ingénieurs appellent cet écart le glissement. Britannica le situe entre 0,5 et 5 % à pleine charge. Sur un réseau européen à 50 Hz, le champ d’un moteur à deux pôles fait 3 000 tours par minute, si bien que son rotor tourne à environ 2 850 à 2 985 tours par minute.

Qui est arrivé le premier : Tesla ou Ferraris ?

L’idée a eu un second inventeur. À Turin, Galileo Ferraris travaillait sur le champ magnétique tournant depuis 1885 et avait construit des moteurs prototypes de laboratoire pour le tester. Il a présenté le principe à l’Académie des sciences de Turin en mars 1888, deux mois avant la conférence de New York (IEEE Milestone). Il a choisi de ne pas le breveter. Britannica indique que d’autres sont parvenus indépendamment au même principe, « parmi eux Nikola Tesla, qui l’a appliqué et breveté ».

Le récit de Tesla lui-même place son idée plus tôt. Le musée de Belgrade, qui le reprend, affirme qu’il a conçu le champ tournant à Budapest en février 1882 et construit un premier moteur à Strasbourg en 1883 (Musée Tesla). Le même musée note qu’on ne trouve aucune trace d’une demande de brevet pendant son séjour à Budapest en 1881 et 1882. Sa première demande a été déposée le 30 mars 1885 (Musée Tesla). Le verdict équitable est celui d’une découverte partagée, Tesla étant celui qui en a fait un système breveté et commercialisable.

Ses brevets couvraient ce système, et c’était là l’enjeu commercial. US 382 280 revendique une méthode de transport de l’énergie sur une ligne en injectant des courants alternatifs dans des circuits distincts, de sorte que les pôles magnétiques du moteur se déplacent sans cesse. George Westinghouse a obtenu une licence sur ces inventions, qui ont aidé le courant alternatif à l’emporter sur le courant continu (Physics Today). Aux chutes du Niagara, la centrale Adams a commencé à alimenter l’industrie locale le 26 août 1895. L’IEEE la qualifie de première centrale polyphasée à grande échelle, et en mai 1900 elle comptait dix générateurs de 5 000 chevaux-vapeur (IEEE Milestone). C’étaient des machines diphasées fonctionnant à 25 Hz (Musée Tesla).

Le moteur est encore partout. Britannica appelle le moteur à induction « le principal dispositif de conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique ». Les systèmes de moteurs électriques de toutes sortes ont consommé 53 % de l’électricité mondiale en 2023, soit 13 462 TWh, selon le programme AIE 4E sur les systèmes de moteurs.

Les principaux brevets américains de Tesla, avec numéros et dates

Les dates ci-dessous proviennent des documents de brevet. Lorsqu’une demande a été scindée d’une demande antérieure, ou renouvelée, le tableau l’indique. La dernière colonne retrace ce qu’est devenue chaque idée, dans la mesure où les archives le montrent.

Brevet US	Déposé	Délivré	Titre du brevet	Fonction	Devenir
334 823	6 mai 1885	26 janv. 1886	Collecteur pour machines dynamo-électriques	Supprime les étincelles là où les balais quittent les lames du collecteur d’une dynamo à courant continu	Son premier brevet américain délivré (Musée Tesla)
381 968	12 oct. 1887	1er mai 1888	Moteur électromagnétique	Moteur à courant alternatif entraîné par un « déplacement progressif » du champ magnétique, sans collecteur sur le moteur	Base du moteur à induction polyphasé ; la moitié cédée à Charles F. Peck
382 280	9 mars 1888 (scindé de la demande du 12 oct. 1887)	1er mai 1888	Transmission électrique de l’énergie	Transporte l’énergie en injectant des courants alternatifs dans des circuits distincts pour que les pôles du moteur se déplacent sans cesse	Sous licence Westinghouse (Physics Today) ; le courant alternatif polyphasé a fait tourner la centrale Adams du Niagara dès 1895
454 622	25 avr. 1891	23 juin 1891	Système d’éclairage électrique	Un condensateur se décharge dans une bobine primaire ; le secondaire fournit une très haute tension à très haute fréquence	La bobine de Tesla ; il l’a utilisée dans ses recherches sur l’éclairage et la transmission sans fil (Musée Tesla)
645 576	2 sept. 1897	20 mars 1900	Système de transmission d’énergie électrique	Transporte l’énergie à travers la haute atmosphère raréfiée, avec quatre circuits accordés sur une même fréquence	La Cour suprême a jugé en 1943 qu’il anticipait des caractéristiques du brevet d’accord de Marconi
649 621	19 févr. 1900 (scindé de la demande de 1897)	15 mai 1900	Appareil de transmission d’énergie électrique	Bobines d’émission et de réception accordées l’une sur l’autre	L’Office des brevets a rejeté les revendications d’accord de Marconi sur cette base avant que son brevet ne soit délivré, modifié, en 1904 (opinion dissidente de Rutledge, 1943)
613 809	1er juil. 1898	8 nov. 1898	Méthode et appareil de commande du mécanisme de navires ou véhicules en mouvement	Pilote un bateau à distance par signaux radio	Présenté au Madison Square Garden en 1898 ; qualifié de première démonstration publique de commande sans fil (Musée Tesla)
1 119 732	18 janv. 1902 (renouvelé le 4 mai 1907)	1er déc. 1914	Appareil de transmission d’énergie électrique	Émetteur relié à la terre avec une borne haute aux courbes amples et lisses pour empêcher la charge de fuir dans l’air	Déposé pendant la construction de Wardenclyffe ; la tour a été démolie pour la ferraille en 1917 afin de rembourser ses dettes
1 061 206	17 janv. 1911 (scindé d’une demande de 1909)	6 mai 1913	Turbine	La vapeur ou le gaz entraîne une pile de disques plats par adhérence et viscosité, sans aubes	Essai de 200 ch à la centrale Waterside d’Edison (1911) ; brevets dans 22 pays ; encore étudiée pour de petites machines
1 329 559	21 févr. 1916 (renouvelé le 8 juil. 1919)	3 févr. 1920	Conduit valvulaire	Un canal à boucles latérales qui laisse passer un fluide dans un sens et le renvoie dans l’autre, sans pièce mobile	Des essais en laboratoire à NYU en 2021 ont montré que l’effet de sens unique s’enclenche près d’un nombre de Reynolds de 200
1 655 114	4 oct. 1927	3 janv. 1928	Appareil de transport aérien	Un « hélicoptère-avion » qui s’élève à la verticale et s’incline pour voler vers l’avant	Son dernier brevet américain ; un professeur d’aérospatiale a déclaré à Air & Space qu’il ne pourrait jamais être pratique

Ce que Tesla a breveté après le moteur

La bobine est arrivée trois ans après le moteur. Le brevet US 454 622 décrit la charge d’un condensateur, sa décharge répétée dans une bobine primaire et le prélèvement d’une très haute tension sur une bobine secondaire enroulée autour d’elle. Elle n’a pas de noyau de fer et utilise un éclateur. Tesla s’en servait pour fabriquer de la foudre artificielle, et elle a nourri ses recherches sur l’éclairage et sur la transmission sans fil (Musée Tesla).

Le bateau était sa vitrine. En 1898, lors d’une exposition d’électricité au nouveau Madison Square Garden, il a fait évoluer par radio un modèle à coque de fer sur un bassin intérieur. Les visiteurs lui posaient des questions ; invité à donner la racine cubique de 64, il a clignoté quatre fois. Tesla disait qu’il avait « un esprit emprunté » (PBS). Il actionnait en réalité des leviers sur un boîtier de commande. Son brevet, US 613 809, a été déposé le 1er juillet et délivré le 8 novembre de cette année-là. Le musée de Belgrade qualifie le spectacle de première démonstration publique de commandes envoyées sans fil à distance (Musée Tesla).

La turbine est l’invention tardive qu’il a défendue avec le plus d’insistance. Une pile de disques plats remplace les aubes. La vapeur entre en périphérie et décrit une spirale vers les orifices d’échappement du centre, entraînant les disques par adhérence et viscosité (le caractère collant du fluide). En 1911, Scientific American a rapporté 200 chevaux-vapeur sur une machine d’essai à un seul étage à la centrale Waterside d’Edison, à New York. Le musée compte 23 brevets pour la turbine et sa pompe associée dans 22 pays, plus que pour toute autre invention de Tesla. Aujourd’hui, l’idée survit dans la recherche sur de petites machines. Lors d’un essai de 2021, un rotor de cinq disques de 160 mm a donné au plus 126 W. Ses auteurs ont estimé que le rendement pourrait dépasser 20 % si les jeux latéraux entre les disques et le carter étaient supprimés. Ils attribuent l’essentiel du faible rendement des turbines de Tesla au système de tuyères qui alimente les disques.

Le conduit valvulaire de 1920 a connu une seconde vie plus discrète. Ses poches latérales inversent le fluide poussé dans le mauvais sens, de sorte qu’il percute l’écoulement qui arrive, tandis que l’écoulement direct passe presque en ligne droite. Une étude de 2021 dans Nature Communications a mesuré l’effet et constaté qu’il s’enclenche brusquement près d’un nombre de Reynolds de 200. Le nombre de Reynolds compare la quantité de mouvement d’un écoulement, fixée par sa vitesse et la largeur du canal, à la viscosité du fluide ; les valeurs élevées favorisent la turbulence, et ici l’effet est apparu à des valeurs inhabituellement basses. Les auteurs ont aussi confirmé l’intuition de Tesla selon laquelle la valve fonctionne mieux quand l’écoulement pulse.

Son dernier brevet américain, l’« hélicoptère-avion » de 1928, devait s’élever comme un hélicoptère et voler comme un avion. J. Gordon Leishman, de l’université du Maryland, a déclaré à Air & Space qu’il n’avait aucun moyen d’annuler le couple de torsion de son hélice, « ce qui veut dire qu’il ne pourrait jamais être pratique ». Le magazine ajoute que ce projet n’a pas inspiré les aéronefs à décollage vertical ultérieurs.

Ce que Tesla n’a pas inventé

Le courant alternatif était utilisé avant son moteur. Tesla l’a dit lui-même lors de la conférence de 1888 : les transformateurs, a-t-il déclaré à la salle, nous avaient déjà « offert un système de distribution relativement parfait ». Ce qui manquait, c’était un bon moteur à courant alternatif. En 1884, Lucien Gaulard et John Gibbs ont présenté à Turin leurs « générateurs secondaires », appelés plus tard transformateurs, et Ferraris les a utilisés pour transporter du courant alternatif sur 40 km, de Lanzo à Turin (IEEE Milestone). Le 20 mars 1886, William Stanley a éclairé des bureaux et des boutiques de Great Barrington, dans le Massachusetts, avec du courant alternatif et des transformateurs (IEEE Milestone). Tesla a déposé la demande à l’origine de US 381 968 le 12 octobre 1887.

L’ampoule électrique le précède aussi. Le brevet de Thomas Edison pour une lampe électrique, US 223 898, a été déposé le 4 novembre 1879 et délivré le 27 janvier 1880. Tesla est arrivé à New York en 1884 (ETHW). Il a bien breveté des lampes par la suite, comme US 514 170 de 1894, mais c’étaient des lampes spéciales pour son système d’éclairage à haute fréquence.

Les rayons X reviennent à Wilhelm Röntgen, qui les a découverts en 1895. Il a reçu le premier prix Nobel de physique en 1901 pour « la découverte des rayons remarquables » qui portent désormais son nom (Prix Nobel). Tesla s’est servi de sa bobine pour en produire dans ses propres recherches (Musée Tesla).

La radio et l’affaire de la Cour suprême de 1943

La revendication sur la radio repose sur une affaire que Tesla n’a pas vécue. Il est mort le 7 janvier 1943 dans la chambre 3327 de l’hôtel New Yorker (Physics Today). Le 21 juin 1943, la Cour suprême des États-Unis a rendu sa décision dans l’affaire Marconi Wireless Telegraph Co. of America v. United States, 320 U.S. 1. La société Marconi avait poursuivi le gouvernement en 1916 pour obtenir des dommages-intérêts au sujet de quatre brevets. Au centre du dossier se trouvait le brevet d’accord de Marconi, US 763 772, délivré en 1904.

L’opinion du président de la Cour, le juge Stone, a confirmé un jugement de première instance déclarant ses revendications larges invalides. Elle indiquait que le brevet US 645 576 de Tesla, déposé le 2 septembre 1897, avait décrit quatre circuits tous accordés sur la même fréquence. « Tesla a ainsi anticipé » plusieurs caractéristiques du dispositif de Marconi, écrit la Cour, bien qu’Oliver Lodge ait fourni la bobine d’accord réglable qui manquait à Tesla. La décision elle-même reposait surtout sur un brevet de John Stone Stone, demandé en février 1900, dont la Cour a jugé qu’il avait anticipé Marconi.

L’opinion a aussi borné ce qu’elle tranchait. « La réputation de Marconi comme premier homme à avoir réussi une transmission radio repose sur son brevet d’origine », y lit-on, et ce brevet n’était « pas en cause ici ». Ce brevet antérieur, US 586 193, a été délivré le 13 juillet 1897, sept semaines avant que Tesla ne dépose US 645 576. Le juge Rutledge, en désaccord partiel, a ajouté une note de bas de page : « En fait, Tesla n’a pas utilisé d’ondes hertziennes. » La note explique que Tesla voulait faire porter l’énergie par la haute atmosphère. Il n’a donc jamais rencontré la sélectivité, le problème qui consiste à distinguer le signal d’une station de celui d’une autre et sur lequel travaillaient Marconi et ses rivaux.

L’affaire montre donc que Tesla a décrit tôt des circuits d’émission et de réception accordés, et que cela a affaibli un brevet de Marconi. Elle ne fait pas de Tesla l’inventeur de la radio, et la Cour ne l’a jamais dit. Marconi a partagé le prix Nobel de physique 1909 avec Ferdinand Braun « en reconnaissance de leurs contributions au développement de la télégraphie sans fil » (Prix Nobel). La rivalité plus longue entre les deux hommes est racontée dans Tesla contre Marconi.

Combien de brevets Tesla a-t-il eus ?

Le chiffre d’« environ 300 » est réel mais demande une précision. Le musée Nikola Tesla de Belgrade, qui conserve ses archives, compte 112 brevets américains enregistrés, du 334 823 en 1886 au 1 655 114 en 1928. Il en a trouvé 199 autres dans 26 autres pays à ce jour, ce qui fait au moins 311 brevets dans 27 pays. Beaucoup protègent la même invention dans des pays différents. Le musée précise que le total à l’étranger n’est pas encore définitif, et ses archives contiennent aussi environ 33 demandes américaines qui ont échoué.

Les brevets ne mesurent d’ailleurs qu’une part étroite de l’œuvre. Un seul brevet, US 613 809, porte toute l’idée de la radiocommande. Le système du moteur, lui, est réparti sur des dizaines de dépôts : 1889 a été son année la plus chargée, avec un total de 37 demandes relatives au système polyphasé.

À Belgrade, le musée fait tourner un moteur semblable à celui que l’ingénieur de Westinghouse Charles Scott a construit d’après la conception de Tesla pour l’Exposition universelle de Chicago en 1893. Son champ tournant dresse sur la pointe un rotor en forme d’œuf (Musée Tesla). Les visiteurs le lancent en appuyant sur un bouton vert.

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