L'ampoule à incandescence a été inventée par Joseph Swan en 1878 et améliorée par  Thomas Edison.

Lampe à incandescence “classique”

Les électrons (petites particules d’électricité) s’écoulent dans les parties conductrices du circuit. Le fil a toujours le même diamètre. Tout à coup les électrons arrivent dans le filament de l’ampoule: le chemin est subitement plus étroit. Le frottement des électrons dans la matière explique le dégagement de chaleur et de lumière.

Lampe halogène

Lampe fluorescente

Lampe à diodes

Lampe à incandescence                               

La chaleur dégagée par une ampoule est un effet indésirable. Lorsqu'un matériau conducteur est parcouru par un courant électrique, il s'échauffe: c'est l'effet Joule (James Joule a découvert ce phénomène en 1841). Tous les appareils qui consomment de l'électricité s'échauffent donc. Cet effet est parfois désiré (radiateur électrique, grille-pain) mais il est le plus souvent inutile et même néfaste: c'est du gaspillage. On a donc inventé des lampes qui produisent plus de lumière et moins de chaleur que les ampoules classiques pour économiser l’électricité.

Le filament est en tungstène, un métal qui ne fond qu'à très haute température (plus de 5000 °C). Il est porté ici à 2700 °C. Le premier filament utilisé par Edison était une fibre de bambou carbonisée.

Le gaz contenu dans l'ampoule est du krypton, un gaz rare et inerte (de la même famille que l'hélium et le néon). On ne peut pas laisser de l'air dans l'ampoule car le filament brûlerait dans l'oxygène. Au début on faisait le vide dans l’ampoule mais le filament s’évaporait plus vite: il durait moins longtemps et le verre noircissait.

Le culot des lampes est standardisé: les différents fabricants produisent des lampes qui s’adaptent aux douilles de fixation.

ampoule de verre

(matière transparente)

filament

gaz emprisonné

culot à vis

plot

conditions normales d’utilisation :

3,5 V (tension en volt)

0,2 A (courant en ampère)

culot à baïonnette

Quand on atteint une température élevée, le tungstène du filament s'évapore. Au lieu de se déposer sur les parois de l'ampoule et de la noircir, il réagit avec l'iode pour former de l'iodure de tungstène. La vapeur chaude d'iodure de tungstène monte au sommet de l'ampoule, se refroidit et redescend vers le filament. A son contact, l'iodure de tungstène se décompose en restituant son tungstène au filament. En fin de compte, le filament reste intact beaucoup plus longtemps qu'une ampoule normale. La forte luminosité des ampoules halogènes permet d'utiliser des ampoules de moindre puissance et d'économiser du courant.

La lampe halogène est une lampe à incandescence: la lumière est produite par le passage d’un courant électrique dans un filament. Elle fonctionne selon le même principe que la lampe à incandescence classique à quelques différences près:

l'ampoule est en quartz: elle résiste à de plus hautes températures mais elle est plus chère.

le gaz de remplissage est l'iode (de la famille des halogènes comme le fluor et le chlore)

le filament de tungstène est porté à 3000 °C.

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Tableau périodique des éléments :

la famille des halogènes (en bleu foncé).

2 pôles

Le tungstène

(symbole chimique W, de l’allemand wolfram)

culot à vis standard

symbole “ne pas jeter à la poubelle”

Petite histoire de l’éclairage

Il y a une grande quantité de lampes différentes mais on peut les classer en 3 familles:

L'utilisation de l'iode comme gaz de remplissage permet d'augmenter la température (donc la luminosité) du filament sans que celui-ci en souffre. Comment cela est-il possible?

Tube fluorescent

On l'appelle souvent (et à tort!) "néon" même s'il ne contient pas de néon.

2

1

3

C'est un tube fluorescent miniature et recourbé. Elle est facile à changer comme l'ampoule à incandescence mais possède 2 avantages du tube fluorescent:

grande durée de vie.

faible consommation d'électricité.

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Mais elle a un gros défaut: elle contient du mercure (un métal très toxique !). Il faut donc absolument la recycler (ne pas la jeter à la poubelle ! )

tube fluorescent courbé

tube fluorescent caché dans une ampoule

Les diodes électroluminescentes (LED) sont des composants électroniques qui émettent de la lumière lorsqu'ils sont traversés par un courant électrique. Nous en parlerons plus tard.

conditions d’utilisation :

230 V (tension en volt)

140 W (puissance en watt)

filament cassé... le circuit est ouvert

F4 = 4 W

(puissance en watt)

CW = “cool white”, blanc froid

type de lumière

T5 = 5/8 po

diamètre du tube en huitièmes de pouce (“inch” en anglais)

La chaleur dégagée par une lampe est un effet indésirable. On a donc cherché à inventer des lampes qui produisent plus de lumière et moins de chaleur que les ampoules classiques. La consommation d’électricité est donc plus faible. Le problème c’est qu’elles contiennent du mercure, un métal très toxique. Il faut donc les recycler et ne pas les jeter à la poubelle.

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la cathode (pôle -) libère des électrons: c’est un “canon à électrons”.

le gaz (vapeur de mercure) est bousculé par les électrons et émet des rayons UV (ultra-violet).

le verre est recouvert à l'intérieur d'une poudre blanche. Cette poudre contient des atomes qui convertissent les UV en lumière blanche.

Un tube cassé laisse voir une électrode. Mais attention, les vapeurs toxiques de mercure s’échappent !

atomes de mercure

les électrons se dirigent vers l’anode

UV

UV

lumière blanche

Fonctionnement du tube fluorescent

Le tube contient des atomes de mercure (fortement grossis sur l’image). lorsque le tube est éteint, les électrodes sont froides et ne laissent pas échapper d’électrons.

électrode

Lorsqu’on met le tube sous tension, les électrodes se réchauffent grâce à un circuit annexe. A partir d’une certaine température, la cathode (électrode riche en électrons) laisse échapper un flux d’électrons en direction de l’anode (électrode pauvre en électrons).

cathode

Les électrons bousculent sur leur chemin les atomes de mercure qui reçoivent beaucoup d’énergie dans la collision.

Les atomes de mercure évacuent une partie de l’énergie reçue lors des collisions sous forme d’un rayon ultra-violet (UV) qui peut partir dans n’importe quelle direction.

Nous avons vu que les électrodes doivent s’échauffer avant de pouvoir émettre des électrons. C’est le rôle d’un circuit annexe qui contient un starter.

starter

Le circuit n’est pas sous tension: il n’y a pas de courant ... et pas de lumière.

Le circuit est mis sous tension: un courant circule dans le circuit du starter... toujours pas de lumière mais les électrodes s’échauffent.

Les électrodes sont chaudes: les électrons passent par le tube. Au début, quelques clignotements, puis le flux se stabilise grâce au ballast ... le tube émet de la lumière.

Et pour ceux qui ne sont pas encore découragés, essayons de lire les indications notées à la surface du tube:

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Résumé du cours

Lampe à diode

Lampe à fluorescence

La poudre blanche collée contre la paroi intérieure du tube absorbe le rayonnement ultra-violet et convertit cette énergie en lumière blanche.

Retrouve les parties de l’ampoule sur le dessin en  coupe.

En rouge:

les parties conductrices

En vert:

les parties isolantes

La découverte d'autres matières combustibles que le bois (huile, cire, gaz, pétrole,...) a permis d'améliorer la qualité de l'éclairage.

Certains phénomènes électriques étaient connus dans l'Antiquité mais ce n'est qu'au 19e siècle que l'électricité fut domestiquée en vue de donner de la lumière.

Le soleil et la lune ont longtemps été les seules sources connues de lumière. On ne lisait pas et on se couchait tôt.

La maîtrise du feu il y a environ 500'000 ans a profondément transformé l'existence des hommes en leur fournissant lumière et chaleur.