LUMIÈRES ARTIFICIELLES

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1 DS STDA THÈME Voir des objets colorés, analyser et réaliser des images LUMIÈRES ARTIFICIELLES PAGE /6 NOM :... PRÉNOM :... CLASSE :... DATE :... I. ETIQUETTE D UNE LAMPE-5PTS- Donner la signification des indications qui apparaissent sur l étiquette de cette lampe fluo compact A B Puissance électrique consommée par la lampe elle s exprime en W. La lampe a une puissance de W on indique qu elle produit le même flux lumineux qu une lame à incandescence de 60 W Durée de vie de h soit 0 fois plus qu une lame à incandescence C D E Classe énergétique de la lampe : A très économique au regard du flux lumineux produit; lié au rapport entre la puissance lumineuse produite et la puissance électrique consommée La détermination de la classe énergétique est définie à par une norme complexe Flux lumineux : quantité de lumière visible émise par unité de temps s exprimant en lumen :lm La lampe fournit un flux lumineux Φ = 570 lm Température de couleur en kelvin : température d une source thermique (le corps noir) qui aurait un spectre d émission qui produirait une lumière de la même couleur La température de couleur de la lampe est 700K Elle produit une lumière blanche «chaude» riche en radiation de grandes longueur d onde. II. LES PRINCIPAUX TYPES DE LAMPES -7PTS- a) Parmi les types de lampes suivant, en justifiant votre choix, attribuer à chaque type de lampe le spectre de la lumière émise en justifiant le choix fait : Lampe à vapeur de mercure lampe fluocompacte lampe halogène- LED- lampe à incandescence- lampe à halogénure métallique soleil 5 Le spectre est continu dont le maximum d émission est situé dans les infrarouges Il s agit du spectre d une lampe à incandescence Spectre discontinu d une lampe à décharge la présence non négligeable de raies dans les ultraviolets laisse penser qu il s agit d une lampe fluocompacte

2 Spectre continu présentant deux pics l un dans les radiations bleu et l autre dans le jaune il est caractéristique de la lumière émise par une led Spectre continu d une source thermique présentant toutes les radiations visibles particulièrement les radiations du jaune au rouge ce spectre est celui d une lampe halogène Spectre de raies d émission pauvre en radiations visibles ; il s agit du spectre d une lampe à décharge d une lampe à vapeur de mercure Spectre de raie d émission d une lampe à décharge très riche en radiations colorées particulièrement dans les bleus cette richesse est du à l ajout d halogénures métalliques qui se retrouvent à l état de vapeurs dans l ampoule Spectre continu d une source thermique présentant toutes les radiations visibles particulièrement vertes et bleues ce spectre est celui de la lumière solaire Remarque on peut observer la présence de raies d absorption dues à la chromosphère qui entoure le soleil s b) Parmi les précédentes indiquer lesquelles sont des sources thermiques et lesquelles sont des lampes à décharges justifier- pts- Sources thermiques : ce sont des corps chauffés :l e soleil, la lampe à incandescence et la lampe halogène produisent de la lumière à la suite de leur échauffement important Lampes à décharges : ce sont des lampes dans lesquelles des atomes sont mis dans un état d énergie excité par des décharges électriques périodiques, elles produisent de la lumière à la suite de leur désexcitation : on parle de luminescence : lampe à vapeur de mercure, lampe fluocompacte et lampe à halogénure métalliques Remarque : Les lampes LED produisent de la lumière par recombinaison «électrons» «trous» dans la jonction de deux types de semi- conducteurs; elles ne sont pas soumises à de violentes décharges électriques comme dans les lampes à décharges. Leur émission de lumière résulte de tout de même de désexcitation des atomes : comme les lampes à décharge se sont des sources luminescent

3 c) Expliquer le fonctionnement d une lampe halogène, indiquer les avantages et les inconvénients de ce type de lampe- pts- La lampe halogène est une lampe à incandescence dans laquelle le filament de tungstène est entouré de gaz halogénés (iode ou brome) emprisonné dans une ampoule en quartz très résistants aux hautes température et très transparents aux rayonnement visible UV et IR. La lumière produite est due à l échauffement du filament - sous l action de la température le filament perd des atomes de tungstène par sublimation - - ces atomes s associent avec le gaz halogène au lieu de se déposer sur le verre de quartz ces gaz se rapprochent du filament par convection et déposent à nouveau ces atomes sur le filament porté à haute température avantages : - durée de vie plus longue que celle des lampes à incandescence - pas de risque sanitaire - allumage instantané - efficacité lumineuse plus importante que les lampes à incandescence classiques - bon rendu de couleurs inconvénients - durée de vie limitée par rapport aux lampes fluocompactes - consommation électrique élevée - risque de brûlures - sensibles aux choc et vibrations - émission d U.V importante III. ETUDE D UNE LAMPE -PTS- On dispose d une lampe à incandescence portant les indications suivantes 7000 lm/00w/95 information L indication 95 donne deux informations - le premier chiffre se rapporte au nombre de dizaine de la valeur de son IRC - les deux autres chiffres correspondent aux nombre de centaines de la valeur de sa température de couleur On a mesuré l éclairement à différentes distances de la lampe. Les mesures ont permis de faire le tableau suivant : Distance de la source (m),0,0,0,0 5,0 6,0 Éclairement (lx) On donne ci- dessous le graphe donnant l éclairement en fonction de la distance à lampe, ainsi que les valeur minimale d éclairement dans a) Que signifient chacune des indications portées sur l étiquette de cette lampe? - son flux lumineux est de Φ = 7000 lm - sa puissance électrique est de P=00W - son indice de rendu de couleur IRC est compris entre 90 et 00% - sa température de couleur est de 500 K lumière blanche "chaude" (riche en radiation de grandes longueurs d onde)

4 b) Que pouvez vous dire de son rendu des couleurs? Son IRC supérieur à 90% est excellent proche de la lumière solaire (IRC=00) c) Déterminer l efficacité lumineuse k de cette lampe K = Φ P K = K =,50 lm. W!! d) Commenter la valeur de l efficacité trouvée en la comparant à celle de la lampe de l exercice I Pour la lampe de l exercice K! = Φ! P! K! = 570 K! = 5 lm. W!! K! > K la lampe fluocompacte a une bien meilleure efficacité lumineuse et est donc plus économique que la lampe halogène e) Lorsque de la distance entre la source et le luxmètre est doublée, comment varie l éclairement? On observe E() = 800lx E() = 00 lx (voir constructions) E() E() = Quand la distance à la source est doublée l éclairement est divisé non pas par deux mais par quatre!! f) Cette lampe est placée à,50 m d une table à dessin. Quel est son éclairement? (faire apparaître les constructions utiles) E(,50) = 0 lx (voir constructions) g) A cette distance permet- elle une bonne visibilité pour un travail de précision?pourquoi? Un travail de précision nécessite un éclairement minimum de 750 lx ce qui est bien supérieur au flux lumineux à,50 m de la source. Cet éclairement ne convient donc pas pour ce type d activité À quelle distance devrait on placer cette lampe de la table à dessin afin que son éclairement soit suffisant pour pouvoir réaliser des travaux de précision? Pour disposer de l éclairement de 750 lx avec cette lampe il faudrait placer la source à une distance voisine d un mètre (voir constructions) IV. CHOISIR LA BONNE LAMPE On souhaite réaliser l éclairage d un atelier. Le flux lumineux émis par les sources de lumière doit être de 0000 lm. La surface de l atelier est de 50 m. Formulaire Loi de Wien : λ. T =,898. 0! nm. K. Calculer l éclairement reçu par le sol. E = Φ S E = E = 800 lm. m!! ou lx On dispose de deux types de sources de lumière : Lampe à incandescence : 60W ; 600 lm ; 800 K ; euros, catégorie E Tube fluorescent ( néon ) : 0W ; 000 lm ; 6500 K ; euros, catégorie A. Que signifie 60W, 600 lm, et 800K? 60W : puissance électrique consommée par la lampe 600 lm : flux lumineux produit par la lampe (quantité de lumière) 800K : température de couleur de la lumière produite (blanc chaud- riche en radiation de grandes longueurs d onde)

5 . Déterminer l efficacité des lampes dans chaque type d éclairage. K! = Φ! P! K! = K! = 0 lm. W!! K! = Φ! P! K! = K! = 00 lm. W!!. Calculer la longueur d onde correspondant au maximum d émission en utilisant la loi de Wien dans le cas de la lampe à incandescence la loi de Wienn concerne les sources thermiques ; elle met en relation la valeur de la longueur d onde émise avec le maximum d intensité et la température de la source λ!"#. T =,898. 0! nm. K λ!"# =,898. 0! T T désigne la température de la source exprimée en kelvin K La lampe a incandescence étant une source thermique la température de couleur correspond à la valeur de la température de son filament T = 800 K λ!"# =,898. 0! 800 λ!"# = 05 nm cette lampe produit une lumière dont la radiation émise la plus intense a une longueur d onde située au delà du spectre visible 5. Donner la couleur de cette radiation correspondant à ce maximum d émission λ!"# = 05 nm cette radiation n est pas visible car λ!"# = 05 nm elle appartient au domaine des infrarouges remarque : La lumière produite par cette lampe aura un aspect blanc chaud car les radiations de grandes longueurs d ondes seront parmi les plus intenses V. ANALYSE DE DOCUMENT : DES DEL (LED) DIFFUSANT MIEUX LA LUMIÈRE- 8 PTS- L'Institut de recherche technologique et industrielle de Taiwan (ITRI) a récemment introduit deux nouveaux types de diodes électroluminescentes (DEL - ou LED - ) ayant des capacités améliorées telles qu'un meilleur rendu des couleurs et une meilleure distribution de la lumière. La première DEL est composée d'un film améliorant la luminosité (brightness enhanced film BEF). Ce film peut résister à une température de 50 degrés Celsius et permet une luminosité supérieure de 0% par rapport aux films existants grâce à une nano- structure qui dévie la lumière dans de multiples directions, évitant à celle- ci de converger vers un unique point. De plus, cette DEL diffuse uniformément la lumière, évitant donc des phénomènes d'éblouissement.(voir l image ci- dessus) Ce film a été développé spécifiquement pour recouvrir les DEL, incluant aussi bien les lampes utilisées dans des galeries, les lampes de bureaux ou encore les éclairages publiques. Des tests ont été effectués sur une lampe MR6 (lampe compacte fluorescente ou à DEL) avec ou sans le film. Sans, la luminosité mesurée au point focal était de 80 lux, mais elle est passée à 50 lux après l'application du film. Autour de ce point, la moyenne mesurée était de 9 lux sans film et de lux avec.

6 Ce film est un des exemples qui permettrait une baisse de la consommation électrique tout en ayant la même luminosité. Cette technologie a obtenu la médaille d'or du Salon international 007 des inventions de Genève. La deuxième technologie permet d'obtenir un rendu des couleurs très proche de la lumière naturelle en donnant à des lampes DEL un large spectre de température de couleurs, du blanc froid au blanc chaud. Le rendu des couleurs ainsi obtenu est proche à 80% de la lumière naturelle et l'objectif est d'atteindre prochainement 90% science.net/?onglet=news&news=99. rédiger en quelques lignes l intérêt de ces découvertes dans la rédaction bien faire apparaître les nouveautés de ces découvertes - amélioration notable de l efficacité lumineuse - amélioration considérable de la diffusion de la lumière produite dans l espace ; (diminution de leur directivité) ce qui conduit à un éclairement plus uniforme de la surface éclairée ces deux progrès apportent un meilleur confort pour la visibilité des œuvres exposées - amélioration considérable du rendu des couleurs (IRC) ce qui constituait le principal défaut de ce type de source. Leur IRC se rapproche donc de la lumière solaire, ce qui est très apprécié pour la restitution fidèle des couleurs. Et enfin - amélioration du comportement vis à vis de la température ; ce qui augmente de façon notable la durée de vie de ces lampes. lequel des deux films faudrait il utiliser pour assurer l éclairage d une galerie de peinture? justifier votre choix La bonne visibilité des œuvres exposées et le meilleur rendu des couleurs sont les deux critères à prendre en compte pour faire le bon choix d éclairage. Il est demandé ici de bien argumenter les raisons du choix fait.. expliquer les expressions «du blanc froid» au blanc chaud Une lumière apparaît blanche si elle renferme toutes les radiations visibles du bleu au violet ou tout au moins les radiations rouges vertes et bleues qui ensemble produisent la sensation de blanc pour l œil humain. Un blanc froid au sens de l artiste est une lumière blanche riche en radiations de courtes longueurs d onde (bleu- violet ; que produirait une source thermique à très haute température) Un blanc chaud est quant à lui une lumière blanche riche en radiation de grandes longueurs d onde (jaune- rouge ; que produirait une source thermique à température moins haute)