vignette|Locomotive électrique CC 6500 en tête d'un train régional en France. Une locomotive électrique est une locomotive mue par des moteurs électriques.
Les moteurs sont alimentés par une ligne de contact aérienne, par un troisième rail latéral (notamment sur les métros), par des accumulateurs ou, pour les locomotives Diesel-électriques, grâce à un moteur Diesel entraînant un alternateur.
Histoire
Premières expérimentations La première locomotive électrique connue, alimentée par des piles électriques, est construite en 1837 par un chimiste écossais d'Aberdeen, Robert Davidson. Davidson a par la suite construit une locomotive plus grosse, appelée Galvani et l'a présentée à l'exposition de la Société écossaise royale des arts en 1841Robert DAVIDSON, sur trainvapeur.fr (consulté le 12 août 2016).. Cette machine de sept tonnes avait deux moteurs à reluctance variable en prise directe sur les essieux. Alimentée par piles électriques galvaniques elle a tiré un train de six tonnes à sur plus de deux kilomètres. Elle aurait été détruite par des employés de la compagnie Edinburgh and Glasgow Railway qui l'ont perçue comme une menace pour leur emploiRenzo Pocaterra, Treni, De Agostini, 2003. C'était alors une attraction transportant des passagers qui fut ensuite présentée à Londres en 1842 .
En 1879 à Berlin, Werner von Siemens fait rouler un train de démonstration tracté par une locomotive électrique sur un circuit circulaire de . C'est le premier train à traction électrique alimenté par sur lequel roulait un galet collecteur. La petite locomotive électrique était entraînée à par un moteur série de alimenté en continu .
vignette|La locomotive électrique Baltimore & Ohio, 1895, remorque les trains pour la traversée du tunnel. La ligne de contact à section en ∩ était disposée au sommet de la voûte. Le pantographe plan s'inclinait pour suivre la ligne.
Applications en service commercial
En 1881 à Paris, le même Werner von Siemens fait la démonstration d'une alimentation par ligne de contact aérienne. La même année le premier tramway électrique est mis en service à Lichterfelde. Les véhicules de étaient alimentés en par les rails.
Dès 1882, l'expression train électrique est utilisée alors qu'il est envisagé d'utiliser l'électricité pour mouvoir des trains à l'aide d'accumulateurs.
En 1883, le tramway entre Mödling et Hinterbrühl près de Vienne en Autriche est le premier service régulier sous caténaire. 5 ans plus tard Frank J. Sprague appliquera cette alimentation par caténaire au tramway de Richmond.
En 1891, la première utilisation ferroviaire d'une tension alternative est due à Charles Brown, ingénieur chez Oerlikon à Zurich, qui a relié Lauffen am Neckar à Francfort-sur-le-Main () en utilisant un moteur triphasé. Brown a remarqué que ces moteurs triphasés bénéficiaient d'une meilleure puissance massique que les moteurs à tension continu du fait de l'absence de collecteur, étaient plus simples à produire et à entretenir. En revanche ils étaient plus volumineux et ne pouvaient pas être installés sous le plancher de la locomotive. En 1896, Oerlikon a réalisé la première application commerciale de cette technologie avec le dans le Tessin, électrifié en triphasé par une double ligne de contact. Les motrices de et , bien adaptées aux fortes pentes de la ligne, fonctionnaient à une vitesse constante et fournissaient un freinage régénératif. En 1896-1898, Kálmán Kandó a également expérimenté le triphasé avec le funiculaire d'Évian-les-Bains ()Kálmán Kandó (1869 - 1931) pionnier du courant monophasé en traction ferroviaire.
Le , mise en service de la première locomotive électrique suisse sur la ligne de chemin de fer à voie étroite entre Sissach et Gelterkinden. Elle possédait deux moteurs de , pour une vitesse de , construite par la société des Ateliers de construction Oerlikon et circule jusqu'au Bulletin UST, août 1966.
Le , le Burgdorf-Thoune-Bahn devient le premier chemin de fer électrifié d'Europe, en triphasé . Les locomotives sont produites par la société Brown, Boveri & Cie.
vignette|Matériel roulant de la ligne de Cerdagne, dans sa configuration d'origine, en gare de Mont-Louis - La Cabanasse (Pyrénées), vers 1910. vignette|MILW EP 2, ((1Bo)Do)(Do(Bo1)), 1911. vignette|SNCF 2D2 5500, 1926. vignette|Les 2 championnes du monde de vitesse de 1955 331 km/h, les BB 9004 et CC 7107. La première exploitation du monophasé à fréquence industrielle remonte à 1901 avec les locomotives Oerlikon conçues par Hans Behn-Eschenburg et Emil Huber-Stockar pour la ligne Seebach — Wettingen (achevée en 1904). Les locomotives de utilisaient des transformateurs et des convertisseurs rotatifs pour alimenter en courant continu les moteurs de tractionDuffy (2003: 124).
En 1901 en France, la ligne de Saint-Gervais-les-Bains-Le Fayet à Vallorcine est mise en service. Cette ligne de montagne à voie métrique est équipée d'une alimentation en tension continu de , assurée par un troisième rail. La traction électrique fournit une puissance suffisante pour exploiter la ligne en simple adhérence malgré un profil difficile. Mise en service à partir de 1909, la ligne de Cerdagne présente des caractéristiques très voisines, avec une tension continu de .
Le , la Rete Adriatica met en service la ligne de la Valtellina dans le nord de l'Italie. Cette ligne a eu une renommée mondiale pour avoir été électrifiée en triphasé, un mode d'alimentation aujourd'hui abandonné (il fallait deux lignes de contact en caténaire) et surtout la haute tension alternative de . Les locomotives étaient réalisées par Ganz à Budapest. La ligne est convertie au monophasé le .
En 1903, le chemin de fer de la Mure met en service les à 5, alimentées en tension continu par une double ligne de contact ±. Elles sont remplacées par une caténaire unique sous une tension de en 1951.
Si les premières locomotives de manœuvre ou de banlieue étaient déjà de type Bo'Bo', la conception des grosses locomotives de ligne restait influencée par les locomotives à vapeur, avec de grandes roues motrices fixes et des essieux directeurs aux extrémités.
En 2026, à la suite des multiples déboires techniques accumulés par les divers trains à hydrogène, ainsi que du fait de leur surcoût de l'ordre de 30 à 40 %, la technologie de l'hydrogène cède la place à celle des trains à batteries. Sur le seul marché allemand, très en pointe sur les tractions alternatives au diesel, le total des commandes de trains à batteries atteint environ 500 rames, dont une centaine qui roulent déjà en 2026. L'Europe de l'Ouest représente 93 % de tous les achats dans le monde des motorisations alternatives (batteries, hybrides, hydrogène)Denis Fainsilber, Train hydrogène contre train à batteries : pourquoi le match est déjà plié en Europe, Les Échos, 25 septembre 2026..
Les records de vitesse vignette|Une des automotrices allemandes du record de 1903. La traction électrique montre rapidement sa supériorité en matière de vitesse. Dès 1903, une automotrice Siemens alimentée en triphasé atteint les en Allemagne. La même année en octobre, une autre automotrice, produite par AEG, s'approche de ce record en roulant à .
En 1924, l'expression « train électrique » est utilisée pour parler de vrais trains mus à l'électricité..
Le , la rame automotrice italienne ETR 200 Breda C.F. bat le record du monde de vitesse à 203 km/h. Ce record ne concerne pas la vitesse pure mais le record mondial de vitesse pour une rame automotrice standard sur une longue distance (316 km), sur voie normale et montagneuse, entre Florence et Milan.
Après la Seconde Guerre mondiale, la traction électrique s'impose sur toutes les grandes lignes surtout en Europe, et contribue fortement à l'amélioration des temps de parcours.
En 1955, deux motrices électriques battent le record de vitesse sur rail () : la BB 9004 et la CC 7107 de la Société nationale des chemins de fer français, sur une ligne droite et plate des LandesLocomotives aux usines du Creusot, Charles Contassot, pages 96 et 97.
À partir des années 1970, l'apparition de l'électronique de puissance (thyristors GTO puis plus tard IGBT) a constitué un réel progrès de la traction électrique.
Les trains à grande vitesse (TGV) utilisent presque tous l'énergie électrique à l'exception par exemple du prototype TGV 001 à turbines à gaz. L'un de ces TGV (SNCF) a atteint lors d’un record du monde de vitesse sur rail en 2007.
Technologie vignette|Vue en coupe d'une 2D2 5500.
Alimentation électrique Les locomotives électriques reçoivent leur énergie de l'extérieur sous forme de tension électrique, soit d'un câble tendu au-dessus de la voie, la caténaire, soit d'un troisième rail au sol. Ce type d'alimentation, avec infrastructure associée (centrales électriques, transformateurs) rend très cher les installations et l'équipement d'une voie. Mais les avantages de la traction électrique sont nombreux : puissance, coût d'entretien plus réduit que pour les locomotives diesel, accélération importante, freinage régénératif (moteurs devenus des génératrices provoquant ainsi un ralentissement), de l'énergie est ainsi d'abord restituée, puis par freinage rhéostatique elle est dissipée en chaleur dans une résistance (occasionnant une décélération), ou, par freinage régénératif la tension des moteurs (devenus génératrices par commande) est soit immédiatement utilisée pour la traction d'autre(s) motrice(s) soit emmagasinée temporairement dans des condensateurs ou des batteries d'accumulateurs). Elles sont appréciées pour le transport de voyageurs dans les zones densément peuplées et sont systématiquement utilisées pour les trains à grande vitesse (comme le TGV, Thalys, Eurostar, ICE ou Shinkansen) parce que les moteurs de forte puissance massique sont faciles à embarquer dans ces véhicules moteurs vu le besoin.
Type de tension vignette|EF65 (Bo'Bo'Bo') des Chemins de fer japonais (3 kV continu). vignette|ChS8 (ЧС8) des Chemins de fer russes et ukrainiens : une Bo'Bo+Bo'Bo' articulée fonctionnant sous 25 kV. Les systèmes ferroviaires les plus modernes utilisent une source de tension alternative à fréquence industrielle. Les moteurs électriques installés sont des moteurs asynchrones triphasés (EuroSprinter, Prima…) ou synchrones à aimants permanents (AGV…).
En France, la majeure partie du réseau ferré est équipée de caténaires alimentées en tension alternative de . Cependant on trouve encore de vastes zones alimentées pour des raisons historiques en tension de continus sur le réseau ferroviaire français : une partie de la France de l'Ouest (gare Montparnasse - Le Mans), toute la France du Sud-Ouest (gare d'Austerlitz) et toute la France du Sud et du Sud-Est (gare de Lyon) à l'exception de la Côte d'Azur. Cette tension se retrouve en Afrique du Sud, en Suisse (pour les chemins de fer à voie étroite) et aux Pays-Bas.
En milieu urbain et suburbain, la tension continue conserve sa prévalence en raison : de sa facilité d'exploitation par des réseaux publics ou dédiés pour des machines peu puissantes, de l'absence de sections de séparation de phase très difficiles à insérer, de la diminution du coût des tunnels (un mètre de diamètre en moins pour un monotube) et de l'impossibilité réglementaire d'avoir des quais de plus de un mètre de hauteur par rapport au plan de roulement de la voie, norme (NFF77-100).
L'alimentation se fait avec une tension de continus en Italie, en Espagne, en Pologne, en Russie et en Belgique.
Les lignes du Sud de l'Angleterre sont alimentées en tension de continus par troisième rail.
L'Allemagne, l'Autriche, la Suisse, la Norvège et la Suède sont électrifiées en tension alternative de à la fréquence de .
Multiples tensions sur une même machine