Les sources de lumière et leur éclairement

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1 Image Partie 2 / Les couleurs de la lumière et de la matière 01 Type d activité : Les sources de lumière et leur éclairement Etude documentaire Diverses lampes sont utilisées dans la vie courante : lampe à incandescence (lampes de chevet), lampe fluorescente (lampes à «économie d énergie» des plafonniers des maisons, «néons» des salles de classes), lampe halogène, lampe à vapeur de sodium (éclairage public) Qu est-ce qui différencient ces lampes? comment choisir la bonne lampe? Les lampes à filament La lampe à incandescence Porté à l'incandescence, un corps émet d'abord des rayons infrarouges puis rouges, orangés, jaunes... jusqu'à ce que, par mélange des diverses radiations du spectre, il en résulte une lumière blanche. Plus sa température est élevée, plus il émet de lumière. Aussi, pour éclairer, les filaments incandescents d'une ampoule électrique doivent-ils être chauffés à 2000 C, sans bruler... Si une ampoule était remplie d'air, le dioxygène permettrait la combustion du filament porté à haute température. On peut évaluer la durée de vie d'une telle ampoule à quelques dixièmes de secondes. Pour empêcher la combustion du filament amené à incandescence, on pensa à éliminer le dioxygène en faisant le vide dans l'ampoule. Mais le vide imparfait et les filaments fragiles donnaient des lampes encore trop éphémères : à partir d'une certaine température, les premiers filaments de carbone (lampes de Thomas Edison) commençaient à se sublimer (la sublimation est le passage de l état solide à l état gazeux) ; leur durée de vie était limitée à une centaine d'heures et leur efficacité d éclairage était relativement faible. Pas de quoi affoler les becs de gaz, qui régnaient alors en maîtres. Très vite, les fabricants ont cherché à augmenter l'efficacité lumineuse et la durée de vie des ampoules. En 1910 William David Coolidge réalisa des filaments en tungstène ; le tungstène, avec sa température de fusion de 3600 C, apparut alors comme le matériau idéal pour réaliser des ampoules plus puissantes et plus durables (longévité de 1000 heures). Aujourd hui encore, le tungstène demeure la star des filaments incandescents. Avec le tungstène, le problème reste d'élever la température pour obtenir plus de lumière tout en diminuant la sublimation du filament pour accroître la durée de vie. A hautes températures, des atomes de tungstène se séparent de la masse du filament, ils se retrouvent sous forme gazeuse dans le volume de l ampoule et vont obscurcir l'ampoule pour finalement provoquer ce que l'on appelle «la perte mortelle», autrement dit l'extinction des feux.

2 Le diamètre du filament diminue donc progressivement. Il apparaît des zones fragilisées plus minces que le reste du filament. Or, ces zones présentent une résistance électrique plus importante (la résistance augmente quand le diamètre du fil conducteur diminue) et s'échauffent donc davantage. Comme leur température s'accroît, le phénomène de sublimation s'amplifie, elles s amincissent de plus en plus jusqu'à la rupture. La rupture du filament a souvent lieu lors de l'allumage de la lampe. Pour diminuer le processus de sublimation, on utilise des atomes de gaz inertes (argon, krypton, xénon) introduits sous pression dans l'ampoule. Le gaz le plus efficace est le Xénon, c'est aussi le plus cher, on emploie couramment de l'argon bon marché ou le Krypton pour les lampes de gammes supérieures. Le gaz de remplissage s oppose aux mouvements des atomes de tungstène et limite dans une certaine mesure la sublimation du tungstène ; il permet ainsi de porter le filament à des températures plus élevées sans diminuer son espérance de vie. La lampe halogène Pour dépasser les 1000 heures d'éclairage, il faut faire intervenir un nouveau type de gaz qui va donner son nom à un nouveau type de lampes : le gaz halogène. Sa vertu n'est pas de limiter la sublimation du filament de tungstène mais de permettre sa régénération. Grâce au «carrousel gazeux» des halogènes, le filament de tungstène se recompose au fur et à mesure qu'il se consume. Les vapeurs halogènes se combinent avec les vapeurs de tungstène pour former de l'halogénure de tungstène qui, entrant en contact avec le filament chaud, se décompose et redépose des molécules de tungstène. Les atomes qui s'échappaient sont raccompagnés à demeure et retrouvent leur matériau d'origine. Au vu de ces quelques données, il semble donc qu'un filament puisse durer indéfiniment, en réalité le tungstène a une fâcheuse tendance à se redéposer en un point différent de celui d'où il vient. Il apparaît donc une série de points fragiles sur le filament, ces points sont autant de zones de rupture potentielles. La durée de vie de la lampe passe de 1000 h (lampes à incandescence classique) à 2000 heures (lampes halogène). L ampoule de la lampe halogène au tungstène est construite en quartz (ou verres spéciaux) afin de résister aux hautes températures de fonctionnement de la lampe. A cause de leur température élevée, les lampes halogènes émettent plus de rayonnement ultraviolets, qui ne sont pas absorbés par le quartz de l'ampoule ; pour cette raison, on place généralement devant la lampe une fenêtre en matière plastique transparente ou en verre dont la fonction est d'absorber ces radiations nocives. L'utilisation d'une ampoule halogène comporte généralement des contraintes : on doit éviter de toucher l'enveloppe de quartz qui remplace le verre et elle doit être maintenue en position horizontale. En touchant le quartz, relativement poreux, on risque en effet d'introduire dans l'ampoule de l'humidité et des impuretés susceptibles d'altérer la régénération du filament.

3 Les lampes à gaz Les lampes à décharge Ce sont des lampes qui n'ont pas de filament, elles contiennent un gaz sous haute ou basse pression. Lorsqu'une tension suffisante est appliquée, un arc électrique se crée ; les atomes excités par une décharge électrique émettent de la lumière. Une décharge électrique entre deux électrodes provoque un arc qui excite des atomes de mercure et produit des UV. Les rayons ultraviolets émis par les atomes de mercure sont absorbés par une poudre fluorescente recouvrant la paroi interne du tube ; la poudre émet alors un rayonnement dans le domaine visible. Ces lampes sont une source de lumière plus puissante et plus économique que leurs sœurs à incandescence. Mais la qualité de la lumière n'est pas la même. Les ampoules fluocompactes ou «lampes à économie d énergie», reprennent ce principe de fonctionnement sous forme d ampoules ; ce sont en fait des tubes fluorescents repliés sur lui-même La couleur de la lumière émise par ces lampes dépend du gaz utilisé : le néon donne une couleur rouge, le mercure s'approche du bleu tout en produisant une quantité d'ultraviolet importante, le sodium rayonne dans le jaune. Souvent, on le mélange avec du néon pour rendre la lumière orangée, le xénon (récemment employé pour l'éclairage des automobiles) est le gaz qui permet de s'approcher le plus possible du blanc pur Les lampes fluorescentes Si les lampes halogènes apportent un progrès décisif à la bonne vieille ampoule d'edison, les lampes cylindriques à fluorescence, ou tubes «néon», fonctionnent selon un tout autre principe.

4 Quelques éléments de photométrie Quelques exemples d éclairement : - Nuit de pleine lune : 0,5 lx - Bougie : 10 lx - Rue de nuit bien éclairée : 20 à 70 lx - Appartement bien éclairé : 200 à 400 lx - Local de travail : 200 à 3000 lx - Stade de nuit : lx - Extérieur par ciel couvert : lx - Extérieur en plein soleil : à lx Lorsque l on voulait acheter une lampe, lors du règne des lampes à incandescence, il suffisait de regarder sa puissance pour avoir une idée de son futur éclairement. Mais maintenant, on dispose de plusieurs technologies d éclairage, et pour pouvoir les comparer, oublions le WATT et parlons LUMEN!! En effet chaque technologie ne consomme pas la même quantité d énergie pour une même «dose» de lumière. Et les couleurs des lumières sont variables!! Alors comment s y retrouver!! Le flux lumineux Le flux lumineux, (en lumen, symbole : lm) indique la quantité totale de lumière émise par une source lumineuse, dans toutes les directions en même temps. L éclairement L'éclairement, (en lux, symbole : lx) d une surface représente la quantité de lumière reçue par une surface. C est le rapport du flux lumineux par l aire de cette surface : 1 lx = 1 lm/m 2 Efficacité lumineuse Pour comparer différents éclairages, il est nécessaire de connaître leur efficacité lumineuse, définie à partir de leur flux lumineux et de leur puissance efficacité lumineuse (lm/w) flux lumineux (lm) puissance de la lampe (W) L IRC ou indice de rendu des couleurs L indice de rendu des couleurs (l IRC), caractérise la source à ne pas déformer les couleurs par rapport à la lumière solaire. Il est exprimé par un chiffre de 0 à 100. La valeur maximale de 100 correspond à la lumière du jour. - IRC > 90 : excellent rendu des couleurs - 80 < IRC < 90 : bon rendu des couleurs - IRC < 60 : mauvais rendu des couleurs Une ampoule ordinaire à incandescence a un IRC de 97, et celui d une ampoule halogène s approche de 100. Les IRC des tubes lumineux et des ampoules fluocompactes vont de 50 à 98, suivant la composition de la poudre fluorescente qui tapisse leur verre. Quant aux lampes à LEDs blanches du marché, dont la qualité varie beaucoup, elles ont des IRC qui s étalent de 60 à 90. L éclairement d une source de lumière se mesure avec un luxmètre

5 Température de couleur Questions 1) Les lampes à incandescence C est la gamme de couleurs que produit la lampe : depuis les «teintes chaudes», comme si les objets étaient éclairés par le soleil couchant, jusqu aux «teintes froides» où les bleus dominent, comme sous le soleil intense de midi. La température de couleur est donnée en degrés Kelvin (K). - Plus la température de couleur est basse (< 4000 K), plus la lumière émise tend vers les couleurs chaudes, donc reposantes. - Plus elle est élevée (> 5300 K), plus elle est dynamique et plus la lumière tire vers le bleu, ce qui convient plutôt aux bureaux, cuisines ou salles de bain. - La lumière du jour, par exemple, correspond en moyenne à 5600 K le midi. Remarque : - La température de couleur et l IRC sont deux choses différentes: ce n est pas parce qu un tube lumineux ou une lampe à LEDs porte la mention «type lumière du jour» que son indice de rendu des couleurs sera forcément bon. - Sur certaines lampes existe un code en 3 chiffres : le 1er chiffre indique l IRC et les 2 suivants la température de couleur ; sur l exemple suivant le code 830 signifie que l IRC est de 80 et la température de couleur de 3000 K 1.1. Expliquer rapidement le fonctionnement d une lampe à incandescence Pourquoi le filament ne brule-t-il pas lors du fonctionnement des lampes? 1.3. Quel était le problème rencontré lors du fonctionnement des premières lampes à incandescence? 1.4. Que se passe-t-il lors de la sublimation du filament? 1.5. Quel est l intérêt du gaz inerte introduit dans les ampoules? 1.6. Pourquoi les lampes à incandescences ontelles été retirées du commerce? 2) Les halogènes 2.1. Quel est l avantage du gaz halogène introduit dans ce type de lampe? 2.2. En quoi sont faites les ampoules des lampes à halogènes? Pourquoi n utilise-t-on pas du simple verre? 2.3. Pourquoi les ampoules sont-elles placées derrière une fenêtre en verre ou en plastique? 2.4. Quelle précaution doit-on prendre lorsque l on manipule une ampoule halogène? 3) Les lampes à décharge 3.1. Expliquer rapidement le fonctionnement d une lampe à décharge De quoi dépend la couleur de la lumière émise par ce type de lampe

6 4) Les lampes fluorescentes Lampe (1) : lampe à incadescence Lampe (2) : ampoule halogène 4.1. Quelle différence y-a-t-il entre une lampe à Lampe (3) : ampoule fluocompacte décharge et une lampe fluorescente? Lampe (4) : LED 4.2. Pourquoi les lampes fluorescentes remplacent-elles dorénavant les lampes à incandescence? (1) (2) (3) (4) Puissance 40 W 28W 8 W 6 W consommée Flux lumineux (lm) Efficacité (lm/w) 4.3. Quels sont les inconvénients des lampes fluorescentes ou «lampes à économie d énergie»? 5) Eclairement et flux lumineux Puissance consommée Flux lumineux (lm) Efficacité (lm/w) (1) (2) (3) (4) 60 W 42 W 15 W 8 W On désire un éclairement de 250 lux sur une surface de 3 m 2, calculer le flux lumineux de la source La notice d un projecteur Fresnel 650 Watts donne les valeurs de l éclairement E du projecteur suivant la distance d à la source. 7) Boite d une ampoule - Expliquer tous les renseignements inscrits sur la boite d une ampoule fluocompacte. 2 - Montrer que le produit E d est constant - Pourquoi peut-on dire que l éclairement est inversement proportionnel au carré de la distance entre la source et la surface - Que peut-on dire de l éclairement lorsque la distance à la source est doublée? 6) Efficacité lumineuse On donne ci-dessous la puissance consommée par 4 différentes lampes pour environ le même flux lumineux : - calculer l efficacité lumineuse de chacune des lampes et conclure