Le troisième rail est une technique d'alimentation en énergie électrique d'un système de transport ferroviaire, utilisé en particulier dans les réseaux de métro ou de trains de banlieue.
Parmi les nombreux réseaux utilisant un système d'alimentation par troisième rail, on peut citer aux États-Unis les métros de New York, Los Angeles et de Washington, le BART de San Francisco et le MBTA de Boston. Au Royaume-Uni, le troisième rail est utilisé par le métro de Londres (qui nécessite même un quatrième rail), le réseau de la banlieue sud de Londres ainsi que certains services à plus longue distance. En Allemagne les réseaux de métro du type U-Bahn et les réseaux de banlieue S-Bahn de Hambourg et Berlin emploient aussi le troisième rail. Il en est de même des métros d'Amsterdam aux Pays-Bas, de Varsovie en Pologne, de Moscou et Saint-Pétersbourg en Russie. En France, ce système est encore en usage dans le métro de Paris ainsi que sur quelques ligne secondaires comme la ligne Saint-Gervais-Vallorcine.
Ce troisième rail d'alimentation électrique n'a rien à voir avec le troisième rail employé dans les voies à double écartement.
Si l'on excepte les systèmes de batteries à bord des trains, l'alimentation par troisième rail est le plus ancien système d'alimentation électrique utilisé dans les chemins de fer. Un train électrique expérimental utilisant cette technique d'alimentation a été mis au point par la firme allemande Siemens & Halske et exposé à la foire de Berlin en 1879. L'emploi du troisième rail dans les transports publics a commencé dans les années 1880 pour les tramways et les chemins de fer traditionnels. Le premier réseau de métro souterrain à utiliser le troisième rail fut le City & South London Railway, mis en service en 1890.
En 1901, Granville Woods, un éminent inventeur afro-américain, obtint un brevet couvrant diverses améliorations du troisième rail. Bien qu'il soit parfois considéré comme l'inventeur du troisième rail, de nombreux autres brevets sur ce sujet ont été déposés depuis cette époque, notamment par Thomas Edison en 1882.
Le troisième rail est placé soit entre les rails de roulement, soit, le plus souvent, à l'extérieur. Le courant électrique est transmis au train par l'intermédiaire de " patins " glissants, maintenus en contact avec le troisième rail. Dans beaucoup de cas, un système de couverture isolante est fixé au dessus du rail pour protéger le personnel travaillant près des voies ; dans certains cas, le patin frotte sur le côté ou sur le dessous du rail, permettant ainsi de monter la protection directement sur le sommet du rail. Lorsque le patin glisse sur la face inférieure du rail, cela présente en outre l'avantage de ne pas être gêné par la présence de neige ou de feuilles mortes.
Le troisième rail est une alternative au système d'électrification par caténaire qui transmet le courant au train par l'intermédiaire de pantographes fixés sur le toit des véhicules. Dans certains cas, métros ou lignes régionales, le système d'alimentation est mixte, partie par troisième rail et partie par caténaires, les véhicules devant être équipés des deux systèmes de captage de courant. Cest le cas par exemple du métro de Rotterdam ou de celui de Milan (ligne M1). Tandis que les systèmes de caténaires peuvent fonctionner sous des tensions allant jusqu'à 25 kV ou plus, en courant alternatif, la plus faible distance d'isolement autour du rail sous tension impose un maximum d'environ 1200 V (réseau de banlieue de Hambourg) et c'est le courant continu qui est employé.
Comme dans le cas des caténaires, le courant de retour circule en général dans l'un des deux, ou les deux, rails de roulement, la fuite vers le sol n'étant pas un problème. Lorsqu'il s'agit de métros sur pneus, comme à Montréal ou partiellement à Paris, des barres d'alimentation sous tension sont prévues pour conduire le courant. Le retour du courant de traction s'effectue par les rails de roulement traditionnels placés entre les pistes de roulement. Le système comprenant un troisième rail pour l'alimentation électrique, placé à l'extérieur des rails de roulement, et un quatrième rail, placé entre ceux-ci, assurant le retour du courant de traction (ce qui a d'autres avantages), est utilisé par quelques réseaux, dont le plus important est le métro de Londres.
Les systèmes à troisième rail présentent quelques inconvénients, notamment :