La lumière : de la torche à la LED

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1 La lumière : de la torche à la LED Page 1

2 Définition de la lumière Il y a 2 théories pour décrire la lumière : Théorie ondulatoire (les ondes qui vibrent) Théorie corpusculaire (les photons) Une onde a une couleur définie par sa longueur d onde. L homme ne voit qu une partie du domaine spectral (du violet au rouge). Page 2 «Lire, c est vivre en peine lumière» M. Saint Denis

3 Le principe de la vision La suite des éléments nécessaires pour que l homme voit un objet : une source de lumière + un objet + l œil + le cerveau Source de lumière Objet Œil Cerveau Illuminant Puissance émise Spectre (blanc) Filtre Absorption Réflectivité Forme Photorécepteur Luminosité (bâtonnets) Couleur (cônes) Résolution Traitement d image Assemblage couleurs Construction du relief Perception mouvements Page 3

4 Les caractérisations d une lumière Le flux de lumière : si on compare la lumière à de l eau qui sort d un arrosoir, c est le débit d eau qui coule. L unité de flux est le Lumen (lm). Débit Flux L intensité de la lumière c est le débit d eau qui sort dans une direction (dans un cône). L unité de l intensité est le Candela (Cd). θ Flux dans une direction Rendement lumineux = (lm/w) Puissance lumineuse perçue [lm] Puissance consommée [W] Page 4

5 La lumière à travers les âges Eclairage à combustion LED Lampes électriques Lampe à gaz Lampe à pétrole Chandelle Lampe à huile Torche Soleil Page 5

6 La lumière par la combustion Eclairage à combustion Lampe à gaz Lampe à pétrole Chandelle Bougie Torche Lampe à huile Soleil Page 6

7 Le soleil : source de lumière pour la Terre l Etoile du système solaire, âgée de 4,5 milliards d années ; Eclaire les Planètes dont la Terre à Km (8 minutes 20 s de durée de parcourt) ; Constitué d hydrogène qui explose par fusion nucléaire (H 2 en He, 10 9 bombes nucléaires) Température de la surface du soleil = C, émission de lumière ; Dans 10 milliards d années le Soleil deviendra une Géante Rouge qui brûlera la Terre. Spectre solaire Page 7 «Que d hommes se pressent vers la lumière non pas pour mieux voir mais pour mieux briller» Nietzsche

8 Eclairage indirect de la Terre par le Soleil La nuit, la Lune «s allume» en réfléchissant les rayons du soleil vers la Terre. Les aurores polaires (boréales et australes) s allument sous l effet du flux de particules solaires ionisées qui traversent la magnétosphère en suivant des lignes de champ. Vidéo aurores polaires Luminance du Soleil = 1,6 x10 9 Cd/m 2 Luminance de la Lune = 3 x10 3 Cd/m 2 Page 8 «La preuve que la lune est habitée, c est qu il y a de la lumière» F. Blanche

9 Le feu naturel comme éclairage Au début, le feu vient des éclairs ou des volcans qui brulent la végétation. L homme s empare de branches enflammées et alimente continuellement ce feu pour s éclairer. «Fiat lux!» Page 9

10 Mais le feu naturel ne suffit plus L homme perçoit qu il dort environ 8 heures par nuit. L homme constate qu une nuit d hiver dure jusqu à 14 heures. L homme comprend qu il lui faut de l éclairage pour bénéficier des 6 heures de nuit pour être plus productif Autres avantages de l éclairage par le feu : - sécurité - chaleur - cuisson Page 10

11 L homme maîtrise le feu L homme sait allumer du feu à partir du Paléolithique ( ans). Il utilise des torches en bois puis imprégnées de résine ou de graisse. Luminosité faible et peu coûteuse, forte émission de carbone et de chaleur. Habitants des Vanuatu Vidéo «La guerre du feu» de Jean-Jacques Anneau Page 11 «Tous les hommes aiment avant tout la lumière, ils ont inventé le feu» G. Apollinaire

12 La lampe à huile ans, lampe de pierre en cuvette avec graisse animale et mèche en tresse végétale (Néolithique pour l art des cavernes). Puis, lampe en terre cuite avec huile végétale (Antiquité, Moyen-Age). Enfin, lampe métallique avec graisse de baleine. Rendement faible, intensité faible, lumière chaude et émission de carbone. Brûloir de Lascaux en grès rose Lampe à huile en terre cuite Lampe du XVIII ème siècle à l huile de baleine. Page 12

13 La chandelle puis la bougie ans : chandelle au suif (mélange de cire et graisse bœuf ou mouton) ; XVI èm bougie en cire (cierge), XIX èm optimisation de la cire ; Les bougies peuvent être assemblées sur des bougeoirs ; Rendement faible, lumière chaude, émission de carbone. «L expérience est une lumière qui n éclaire que soi» Lao-Tseu Page 13

14 La lampe à pétrole 1800 : lampe métallique à pétrole distillé (pétrole lampant) ; 1850 : lampe améliorée avec une mèche en coton et un tube en verre ; Réglage de l intensité par la hauteur de la mèche ; Pour l extérieur : la lampe tempête ; Rendement moyen, lumière chaude, émission carbone. Page 14

15 La lampe à gaz 1800 : combustion d un gaz par un brûleur perforé réglable en intensité ; Premier système d éclairage individuel à alimentation collective ; Début XIX ème : réverbère utilisé massivement pour l éclairage public. Rendement faible, lumière chaude, émission de carbone et d eau. «La civilisation nous donne des lumières plutôt que des vertus» H. Becque Page 15

16 La lumière à travers les âges Eclairage à combustion LED Lampes électriques Lampe à gaz Lampe à pétrole Chandelle Lampe à huile Torche Soleil Page 16

17 La lumière avec alimentation électrique 20% de l électricité est transformé en lumière Ampoule à filament Ampoule à vapeur de Mercure ou Sodium Tube fluorescent Ampoule à halogène LED Soleil Page 17

18 Le réseau pour l éclairage électrique Dans les années 1930, arrivée de la «fée électricité». L éclairage électrique nécessite un réseau de la production aux particuliers. Production d énergie Transport d électricité Circuit privé Lampe Nucléaire Thermique Barrage Eo / hydrolienne Photovoltaïque Très haute tension Haute tension Moyenne tension Basse tension Tableau électrique Fils électrique Interrupteur Douille Ampoule Abat jour Page 18

19 La représentation des couleurs Les couleurs sont des zones du spectre visible représentées sur un triangle selon des coordonnées (CIE 1931) Le blanc est la somme d au moins 3 couleurs : rouge, vert, bleu La température de couleur représente la coloration du blanc Un blanc un peu jaune a une température basse (< 3000 K) Un blanc un peu bleu a une température élevée (> 4000 K) Page 19

20 La lampe à incandescence à filament Inventé en 1878 en Angleterre puis optimisée par T. Edison Lampe à filament dans une ampoule fermée contenant un filament de Tungstène et du gaz neutre (Azote puis Argon, Krypton) Le passage du courant électrique échauffe le filament à C par effet Joule. Cet échauffement génère un rayonnement de lumière visible. Faible rendement 10 Lumen/Watt (< 20 %), durée de vie : heures. Lumière chaude = température de couleur basse Page 20

21 La lampe à incandescence à halogène Lampe à filament Tungstène et ampoule de quartz contenant du gaz de la famille des halogènes (Iode et Brome) Le passage du courant électrique échauffe le filament à C Cet échauffement génère un rayonnement intense de lumière visible. Rendement 30 Lumen/Watt, durée de vie heures, forte consommation. «Le courage est la lumière de l adversité» Vauvenargues Page 21

22 Le tube fluorescent Inventé vers 1930, électrodes + des gaz rares (Néon) + luminophores : Tube de verre avec des contacts électriques ; L intérieur du tube est recouvert d une poudre de luminophores R, V et B ; Le tube contient des gaz rares (Xénon + Néon) et un peu de Mercure ; Sous haute tension (300 V), le gaz s ionise et émet des UV ; Les UV viennent exciter les luminophores qui émettent de la lumière visible. Tube en verre Luminophores Emission d UV Décharge gazeuse Electrode Emission de lumière Page 22

23 La lampe fluorescente Durée d allumage assez longue, ensuite stabilisation ; Effet de papillotement sauf si 2 tubes sont en opposition de phase ; En : développement de lampe fluo-compacte ; Rendement 80 Lumen/Watt, durée de vie heures ; La température de couleur est ajustée par la concentration respective de luminophores R, V et B. Page 23 «Des mots rayonnants, des mots de lumière, avec un rythme et une musique, voilà ce qu est la poésie» T. Gautier

24 Lampes à décharge de gaz (Mercure, Sodium) Arc électrique entre deux électrodes proches ; Ampoule contenant des halogènes (Chlore, Iode, Brome) et un peu de Mercure ou de Sodium (émission orange à 590 nm) ; Utilisé pour l éclairage public ; Allumage très long, durée de vie heures ; Rendement vapeur de Hg = 40 Lumen/Watt et Na = 150 Lumen/Watt. Source : Page 24

25 Les diodes électroluminescentes - LED Acronyme : Light Emitting Diode (DEL : Diode Electro-Luminescente) 07 Octobre 2014 : prix Nobel de physique à Nakamura, Akasaki et Amano pour leur travaux sur les LED bleues! Dans les années 1990, ils ont fabriqué le premier semi-conducteur qui émet une lumière bleu (le rouge et le vert existent depuis 40 ans). Conséquences : potentiel de LED blanche (R V B ou B J) et laser bleu pour DVD blu-ray (densité de données multipliées par 4). Shuji Nakamura Page 25

26 La gestion du blanc avec des LED 1) Emission simultanée de 3 LED : R + V + B Technologies de LED blanches 2) 1 seule LED + mélange de luminophores 1 LED de grande surface émet des UV Les luminophores sont excités par les UV En se désexcitant, les luminophores émettent du R,V et B Composant électronique tout solide à semi-conducteur de qq mm; Courant continu (20 ma) et faible tension (qq 10 volts) ; Convertisseur de tension intégré dans le culot de l ampoule ; Peu d échauffement et faible consommation ; Durée de vie h, efficacité lumineuse Lumen/W, allumage instantané. Page 26 UMR

27 Comparaison des performances Rendement des lampes lumineux Type Rendement (lm/w) Durée de vie (H) Bougie (combustion) 0,2 1 Lampe à incandescence à filament Lampe à halogène Lampe fluorescente Lampe à arc (lampe au Xénon) Lampes à vapeur de Sodium LED blanche «Le temps met tout en lumière» Thales Page 27 UMR

28 Lumière intérieure et décoration LED ou lampe à halogène Page 28

29 Lumière et travail, lumière et loisirs Lampe à halogène, tube fluorescent, lampe à vapeur de Hg Page 29

30 Lumière et signalisation La signalisation lumineuse aide à la sécurité et à l information (tube néon, lampe à halogène ou LED) Page 30

31 Exemple du phare de Créac h : Lumière et signalisation des côtes Lampe à arc de forte puissance (4 X W) ; Lentille de Fresnel : concentre la puissance dans la direction focale (D = 68 Km) ; Support rotatif : éclairage sur 360 et occultation ; De 1816 à 1831, les naufrages passent de 161 à 39 par an. «La vie c est çà, un bout de lumière qui finit dans la nuit» L. F. Céline Page 31

32 Lumière et éclairage public Lampe à vapeur de Hg ou Na et LED Page 32

33 Lumière et illumination de la ville LED et lampe à halogène Page 33

34 Lumière et spectacle Lampe à halogène Page 34 «Il y a des yeux qui reçoivent la lumière et d autres qui la donnent» P. Claudel

35 Conclusion Evolution de l homme et amélioration des techniques d éclairage. Au XX ème, l électricité a permis les progrès considérables de l éclairage. LED : excellent compromis consommation-coût-efficacité-puissance.? Page 35

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