«L éclairage dans l habitat»

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1 1STL-TC Date : «L éclairage dans l habitat» Thème du programme : Habitat Type d activités : Point cours Extrait BOEN : Sources lumineuses. Flux lumineux ; longueur d onde ; couleur et spectre. Sous-thème :L éclairage Pré-requis : Connaître la longueur d onde. Compétences attendues : Positionner sur une échelle de longueurs d onde les spectres de différentes lumières : visible, infrarouge et ultraviolette. Relier les unités photométriques à la sensibilité de l œil humain. Exploiter les caractéristiques d une source d éclairage artificiel : efficacité énergétique, classe d efficacité énergétique ; température de couleur, indice de rendu des couleurs (IRC). I. Caractéristiques d une source de lumière 1. Spectre de la lumière blanche La lumière blanche ou lumière du Soleil est polychromatique. Elle est composée d une infinité de radiations monochromatiques caractérisées par leur longueur d onde. La décomposition de la lumière blanche est réalisée par un système dispersif comme le prisme ou le réseau. Le domaine du visible est constitué des radiations dont les longueurs d onde sont comprises entre et (1 nanomètre = 1 nm = 10 9 m). Colorier la réglette suivante en vous aidant du livre (p.148). 2. Température de couleur On observe le filament d une lampe à incandescence dont la température augmente ainsi que le spectre de la lumière qu il émet : 1. Que peut-on dire de la couleur du filament lorsque sa température augmente (de gauche à droite)?

2 2. Que peut-on dire du spectre de la lumière émise lorsque la température du filament augmente? La couleur d une source de lumière, donc son rayonnement, dépend de sa température. La température de couleur permet d associer une température (en K) à la couleur dominante d un spectre rayonné par un corps. À une couleur donnée de la source, on fait correspondre la température de celle-ci appelée température de couleur. Pour les ampoules, elle caractérise l aspect de la lumière émise ; ce qui donne une indication sur l ambiance lumineuse associée à la lumière émise. On parle de teinte chaude ou ambiance chaude (température de couleur < K), froide (température de couleur > K) ou intermédiaire. À faible température de couleur, la lumière est jaunâtre. Pour des températures plus élevées, la lumière est plus blanche. 3. Indice de rendu des couleurs (IRC) L œil humain est habitué à reconnaître les couleurs selon la lumière du soleil. Les sources de lumière artificielles ne restituent pas les couleurs de façon identique. La qualité de la lumière dépend de son aptitude à rendre une bonne vision des couleurs. Cette qualité est définie en particulier par son indice de rendu des couleurs (IRC), fixé par les fabricants de lampes fluorescentes. L indice de rendu des couleurs (IRC ou Ra) indique la capacité d une lumière émise par la source à restituer correctement l aspect coloré de l objet éclairé. Plus cet indice est élevé, plus la qualité de la lumière est bonne. Cet indice est compris entre 0 et 100. Si l indice vaut 100, les couleurs obtenues sont les mêmes que celles observées en plein soleil. Si on ne distingue pas les différentes couleurs, l IRC est proche de 0.

3 II. Grandeurs photométriques 1. Flux lumineux La puissance rayonnée par la lampe s appelle le flux énergétique Φ E et s exprime en Watt (W) : Energie rayonnée Φ E = t Le flux énergétique dépend de la puissance de la lampe. L œil humain ne présente pas la même sensibilité pour toutes les longueurs d onde. À quelle longueur d onde l œil est-il le plus sensible en vision de jour? de nuit? Lorsque l on tient compte de la sensibilité de l œil, on ne parle plus de flux énergétique, mais de flux lumineux Φ L ou Φ qui s exprime en lumen (lm). Ainsi le flux lumineux permet de ne considérer que la puissance (ou flux énergétique) susceptible de provoquer la sensation visuelle. Le flux lumineux est lié au flux énergétique par la relation : Φ = α V (λ) Φ E Φ est le flux lumineux en lumens (lm) α = 683 lm.w 1 V (λ) valeur dépendant de λ et liée à la sensibilité de l œil (cf courbe) Φ E est le flux énergétique en Watts (W) Par convention, un flux énergétique de 1 W émis à la longueur d onde λ = 555 nm (maximum de sensibilité de l œil) donne un flux lumineux de 683 lm. Le flux lumineux étant lié au flux énergétique, il est lié à la puissance électrique reçue par une lampe. Ce flux lumineux est donc lié à la puissance électrique reçue par la lampe et à la sensibilité de l œil. Pour un même flux énergétique émis par des lampes de couleurs différentes, la sensation visuelle d intensité sera différente. Exemple : Une lampe à incandescence de 100 W fournie un flux lumineux de 1200 Lumen.

4 2. Éclairement L éclairement d une surface est le flux lumineux reçu par unité de surface éclairée : E = E est l éclairement en lux (lx) Φ est le flux lumineux en lumens (lm) S est la surface en m 2 L éclairement s exprime en lux (lx). Il se se mesure avec un luxmètre muni d une cellule photoélectrique. La mesure de l éclairement permet de déterminer si la quantité de lumière qui parvient à l objet est suffisante pour que celui-ci soit perçu. L œil humain perçoit des objets soumis à des niveaux d éclairement très variés : plein soleil, à midi au sol lx couloirs 100 à 150 lx temps nuageux au sol à lx salle à manger sur la table 200 lx pleine lune au sol 0,25 lx séjour coin lecture 300 lx bureau 400 à 600 lx cuisine éclairage général 200 lx habitation 150 à 300 lx salle de bain éclairage général 100 lx rue éclairée au sol 20 à 50 lx chambre à coucher bureau 300 lx 3. Efficacité énergétique, classe énergétique Les différentes sources lumineuses destinées à l éclairage sont classées en 7 catégories (de A à G) selon la valeur de leur efficacité énergétique. L efficacité énergétique d une source lumineuse est définie par la relation : Ce coefficient e correspond au rendement lumineux de la source.

5 III. Les différentes sources de lumière 1. Les lampes à incandescence Dans une lampe à incandescence, le filament en tungstène parcouru par un courant, chauffe par effet Joule et émet de la lumière. Pour les faibles valeurs du courant la couleur est rouge puis devient jaune et blanche lorsque l intensité du courant augmente. Pour éviter l oxydation et la destruction du filament, on place celui-ci dans une ampoule contenant de l azote et de l argon (gaz inertes). Leur faible efficacité énergétique (entre 10 et 20 lm.w 1 ) explique leur retrait progressif du marché. Le spectre émis par une lampe de ce type contient toutes les longueurs d onde, on dit qu il est continu. Les lampes à halogènes sont aussi des lampes à incandescence à filament de tungstène. En ajoutant un gaz halogène (iode ou brome) on augmente la température du filament (lumière blanche), donc l efficacité lumineuse mais pas énergétique, surtout on diminue la vaporisation du filament de tungstène et ainsi on augmente la durée de fonctionnement de la lampe. 2. Les lampes à décharge Le rayonnement est obtenu en produisant une décharge électrique dans un gaz à faible pression qui devient luminescent. Le spectre émis est discontinu, il est formé de raies correspondant aux longueurs d ondes émises suivant la nature du gaz. On distingue deux catégories de lampes à décharge : a) Tubes fluorescents Le tube renferme une faible quantité de mercure dans un gaz rare (le néon), les parois intérieures sont recouvertes de poudre fluorescente pour augmenter la lumière produite. A la mise sous tension le mercure est vaporisé. Lorsque la décharge électrique se produit dans la vapeur de mercure, elle génère un rayonnement ultraviolet transformé en lumière visible par la couche fluorescente. L efficacité lumineuse est 4 à 8 fois supérieure à celle d une lampe à incandescence ordinaire, l efficacité énergétique varie entre 50 et 100 (catégorie A), la durée de vie est d environ 8000 h, l IRC vaut entre 80 et 95 (satisfaisant). b) Lampes fluocompactes Ces lampes fonctionnent sur le même principe que les tubes fluorescents. Elles contiennent aussi une faible quantité de mercure. Des améliorations ont été apportées en ce qui concerne les poudres fluorescentes et l alimentation électronique. Le retard à l allumage d une lampe fluocompacte est dû à l amorçage électrique et au temps de réaction des poudres fluorescentes. Le retard à l allumage, assez long avec la première génération, a beaucoup diminué. Elles sont destinées à remplacer les lampes à incandescence car leur efficacité énergétique est élevée (40 à 70 lm.w 1 ), leur durée de vie en moyenne est 10 à 15 fois plus longue, elles peuvent être montées directement sur les anciennes douilles, leurs formes sont très nombreuses. 3. Les diodes électroluminescentes DEL (ou LED) La diode électroluminescente est un composant électronique capable d émettre de la lumière lorsqu il est parcouru par un courant électrique. L éclairage par diodes comporte de nombreux avantages comparé aux autres technologies : une LED n émet pas d ultraviolets, son émission de chaleur est très faible, sa durée de vie est très longue (jusqu à heures), son flux lumineux dans l axe est très intense. De plus les LED sont disponibles dans de nombreux coloris et il est possible de faire varier l intensité d une LED. La généralisation de l utilisation des LED dans l éclairage est encore à venir car malgré une très bonne efficacité énergétique (> 60 lm.w 1 ), le flux lumineux obtenu reste faible car chaque composant supporte une puissance électrique assez faible.