Lampe à incandescence classique

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Lampe ancienne à filament de carbone.

La lampe à incandescence classique, inventée en 1879 par Joseph Swan et améliorée par les travaux de Thomas Edison, produit de la lumière en portant à incandescence un filament de tungstène, le métal qui a le plus haut point de fusion (3 422 °C[1]). À l'origine, un filament de carbone était utilisé, mais ce dernier en se sublimant puis en se condensant sur le verre de la lampe, opacifiait assez rapidement le verre.

Historique[modifier | modifier le code]

Descriptif[modifier | modifier le code]

Lampe à incandescence

Incandescent light bulb.svg

  1. Ampoule de verre, aussi appelée globe, bulbe ou enveloppe
  2. Gaz inerte
  3. Filament de tungstène
  4. Fil conducteur (contact avec le plot central)
  5. Fil conducteur (contact avec le culot)
  6. Fil de support du filament
  7. Monture ou support en verre
  8. Culot (contact électrique)
  9. Culot (pas de vis ou baïonnette, etc.)
  10. Isolant
  11. Plot central (contact électrique)

Gluehlampe 01 KMJ.jpg

lampe à incandescence halogène, transparente au Xénon 70 W (EU < 2009 conforme)
lampe en verre translucide.

En présence de dioxygène, le filament porté à haute température brûle instantanément, c'est la raison pour laquelle, dès l’origine, ce type de lampe a été muni d’une enveloppe de verre isolant un milieu sans dioxygène, l'ampoule, qui a donné son nom populaire au dispositif, puis par extension à tout système, protégé par une enveloppe en verre, destiné à fabriquer de la lumière à partir d’électricité.

À l’intérieur de l’ampoule, on trouve soit un gaz caractéristique du type d’ampoule : gaz noble souvent du krypton ou de l’argon ; soit le vide.

Inéluctablement le filament surchauffé se vaporise et perd de la matière par sublimation, ensuite cette vapeur de métal se condense sur l’enveloppe plus froide. L’ampoule devient de plus en plus opaque et le filament devient plus fragile. Le filament finit par se rompre au bout de plusieurs centaines d’heures : 1 000 heures pour une lampe classique, jusqu’à 10 fois moins ou 8 fois plus pour certaines lampes à usage spécial.

La présence d'un gaz noble à l'intérieur de l'ampoule présente plusieurs avantages : certains atomes de tungstène devenus gazeux peuvent se déposer à nouveau sur le filament après un choc avec un atome de gaz noble, allongeant ainsi sa durée de vie. Le filament peut aussi être chauffé davantage. Enfin, cela limite le dépôt de tungstène sur la paroi de l'ampoule.

Dans les lampes actuelles, le filament de tungstène est enroulé en hélice, afin d’augmenter la longueur du filament, et donc la quantité de lumière visible produite.

La forme la plus classique de lampe à incandescence est l'ampoule "bulbe", mais on trouve également d'autres formes, dont celle de tube appelée linolite.

Vers la fin des lampes à incandescence en Occident[modifier | modifier le code]

Des alternatives aux lampes à incandescence existent, avec un meilleur rendement lumineux, comme les lampes « fluocompactes » et les diodes électroluminescentes. Elles offrent aux industriels des prix assez élevés et des marges assez intéressantes pour qu’ils soient favorables à la substitution.

La production de lampes classiques a été, comme quantité d’autres produits, largement délocalisée : les pays « développés » n’ont plus d’industrie locale à protéger. La réduction de la consommation d’énergie est passée au premier plan, pour des raisons économiques (prix croissant de l’énergie) et écologiques (la production d’énergie est une composante majeure au niveau environnemental)[2].

En France, le passage aux lampes basse consommation devrait permettre d'économiser quelque 8 milliards de kWh[réf. nécessaire], soit 1,5 % de la consommation nationale d'électricité en 2010. En Europe, l'économie sera de l'ordre de 40 TWh[3]

Selon les régions ou pays, le coût environnemental de la production d'électricité comparé à l'émission de mercure des lampes fluocompactes, reste à étudier, afin de définir s'il présente un bilan environnemental positif. Dans les régions où l'électricité est produite au charbon, par exemple, la lampe fluocompacte peut être intéressante, car sa faible consommation se répercute par une importante diminution d'émanations (dues à la combustion du charbon). Mais dans les régions où l'électricité est produite de manière décarbonnée, comme par exemple l'hydroélectricité, l'électricité produite par éolienne, ou encore d'origine solaire ou nucléaire, le bilan peut être négatif : le mercure utilisé - et nécessaire - au fonctionnement d'une lampe fluocompacte peut causer plus de pollution que les activités nécessaires à la production électrique requise à son fonctionnement au cours de sa durée de vie.[réf. nécessaire] De tels désavantages ne peuvent être compensés que par une action volontaire des consommateurs qui rapporteraient leurs lampes usagées à un dépôt de recyclage dédié, à défaut de quoi, le mercure se retrouverait libéré dans la nature.

Union européenne[modifier | modifier le code]

Les États de l'Union européenne ont approuvé le 8 décembre 2008 le retrait progressif de la vente des lampes à incandescence de 100 watts à partir du 1er septembre 2009 (puis les modèles de 75 watts le 1er septembre 2010 et ceux de 60 watts le 1er septembre 2011), leur abandon définitif devant intervenir le 1er septembre 2012[4]. Le passage à des méthodes d'éclairage moins dépensières en énergie permettrait d'économiser à l'échelle européenne l'équivalent de la consommation électrique de la Roumanie (soit environ 11 millions de ménages) et de réduire ainsi les émissions de dioxyde de carbone de 15 millions de tonnes par an[5]

calendrier d'arrêt de mise en vente des lampes à filament
Date puissance
30 juin 2009 ≥ 100 W
31 décembre 2009 ≥ 75 W
30 juin 2010 ≥ 60 W
31 août 2011 ≥ 40 W
30 décembre 2012 ≥ 25 W

Alternatives aux lampes à incandescence[modifier | modifier le code]

Flux et rendement lumineux[modifier | modifier le code]

La luminosité d'une source est fonction du flux lumineux (en lumen) qu'elle émet. Le rendement lumineux mesure le rapport entre le flux lumineux (émis par la source) et la puissance électrique (en watt) qu'elle consomme ; le rendement lumineux s'exprime donc en lumens par watt (lm/W).

Tant que les lampes à incandescences classiques étaient largement majoritaires, les consommateurs pouvaient comparer le flux lumineux des lampes sur la base de leur puissance électrique : ainsi on choisissait une lampe de 100 W pour un éclairage intense, 60 ou 40 W pour un éclairage d'ambiance, et 15 W pour une veilleuse...
Les différentes lampes utilisées comme alternatives aux lampes à incandescence classique ne présentant pas le même rendement lumineux, la comparaison des puissances électriques devient absurde, il est donc indispensable d'utiliser le lumen comme unité de référence.

Le tableau ci-dessous reprend, de façon indicative car les valeurs varient légèrement d'un modèle à l'autre, la correspondance entre le flux lumineux et la puissance électrique d'une lampe à incandescence classique :

Puissance
électrique
(W)
Flux
lumineux
(lm)
Rendement
lumineux
(lm/W)
Rendement
lumineux
(%)
15 110 7,3
25 200 8,0
40 505 12,6 1,9 %[6]
60 870 14,5 2,1 %[6]
75 1190 15,9 2,3 %[6]
100 1750 17,5 2,6 %[6]

Comparatif des solutions de remplacement[modifier | modifier le code]

Comparatif des solutions de remplacement[7]
Type: Lampe Fluo Compacte Lampe halogène « haute efficacité » Lampe LED
Principe
Lampe fluo-compacte
Excités par une décharge électrique, des atomes de mercure émettent des rayons ultraviolets. Ils sont convertis en lumière visible lorsqu'ils traversent une poudre fluorescente tapissant les parois du tube.
Lampe à incandescence halogène montée dans un culot à vis E27.
C'est une lampe à incandescence améliorée : la lumière est produite par l'échauffement d'un filament dans un gaz de la famille des halogènes (iode ou brome par exemple).
Lampes à LED CEI GUI10 blanches
Un matériau semi-conducteur traversé par un courant électrique émet une couleur bleue. Un composé chimique luminophore convertit ensuite une partie de cette lumière en jaune : l'œil perçoit donc une lumière blanche.
Qualité de lumière À flux lumineux égal, sa lumière diffuse, paraît plus douce que celle d'une lampe à incandescence. Le spectre émis présente des trous pour certaines longueurs d'ondes (entre le bleu et le vert notamment). Les couleurs sont moins vives : l'indice de rendu des couleurs (IRC) est d'environ 80 contre 100 pour la lumière du jour. Brillante, parce qu'elle émane d'une source ponctuelle : le filament. Elle balaie tout le spectre lumineux, du violet au rouge (IRC=100). Très variable, car la qualité du spectre émis dépend du luminophore utilisé. L'indice de rendu des couleurs de cette ampoule à diode électro luminescente varie selon les modèles, de 80 pour les bonnes à 100 pour les meilleures.
Température de couleur De 2 700 (la couleur de la lumière du soleil le soir) à 6 500 kelvins (celle du soleil à midi) selon les modèles. Pour recréer l'ambiance des lampes à incandescences classique, choisir 3 000 kelvins. 2 700 kelvins exactement, soit la température de la lumière solaire le soir. Réservée aux lieux où une bonne vision des couleurs est importante. De 2 700 à 6 500 kelvins selon les modèles. Idéal pour éclairer les pages d'un livre sans éblouir pour autant.
Flux lumineux De 150 à 2 500 lumens De 150 à 2 500 lumens De 40 à 1000 lumens
Rendement lumineux De 45 à 70 lm/W (trois à six fois plus que la lampe à incandescence). Autour de 14 lm/W. De 50 à 100 lm/W (très variable suivant les modèles).
Prix 2-20 € 2-5 € 15-50 €
Durée de vie annoncée par les constructeurs De 5 à 10 ans (de 5 000 à 10 000 h) Environ 2 ans (2 000 h) De 10 à 25 ans (de 10 000 à 25 000 h et même 50 000 h pour certains modèles). Le flux lumineux a tendance à se dégrader avec le temps.
Empreinte écologique Doivent être recyclées. Verre, métal plastique : elle ne contient aucun produit dangereux. Une filière de retraitement a été jugée plus polluante que le produit lui-même, elle se jette donc avec les ordures ménagères. Le germanium devrait notamment être récupéré, mais il y en a encore trop peu pour mettre en place une filière de recyclage spécifique. Seuls le verre et les matériaux qu'elle contient sont recyclés.
Risque sanitaire Elles contiennent du mercure, un métal toxique qui impose le retour chez le vendeur en fin de vie pour recyclage. Si la lampe se casse, aérer la pièce 15 minutes et revenir essuyer avec du papier absorbant. Plusieurs études ont montré que les ampoules sont sans risque, dans un usage normal (distance 30 cm), pour les caractéristiques pour lesquelles elles étaient pointées du doigt, mercure, champ électromagnétique, rayons UV. Néant. Le rayonnement bleuté de certaines LED bas de gamme pourrait abîmer la rétine, on doit donc éviter de les regarder directement ainsi que les produits du types "grandes distributions" actuellement.
Vitesse d'allumage Environ 0,5 s pour les plus rapides, jusqu'à 2 minutes pour les autres. Instantanée Instantanée

Étiquetage[modifier | modifier le code]

Une directive européenne impose que l'emballage des lampes fasse mention des informations suivantes:

  • Durée de vie.
  • Flux lumineux.
  • Température de couleur.
  • Vitesse d'allumage : temps d'attente pour atteindre 60 % du flux d'allumage.
  • Quantité de mercure.
Cette section ne cite pas suffisamment ses sources (juin 2012). Pour l'améliorer, ajouter en note des références vérifiables ou les modèles {{Référence nécessaire}} ou {{Référence souhaitée}} sur les passages nécessitant une source.

La durée de vie des lampes est surévaluée[8]. La qualité[précision nécessaire] des lampes LED varie d'un modèle à l'autre[9].

Pourquoi la durée de 1000 heures est-elle préférable?[modifier | modifier le code]

Le filament d'une ampoule à incandescence doit être chaud pour atteindre une bonne luminosité et un rendement élevé pour que l'électricité soit convertie en lumière visible plutôt qu'en chaleur. Mais en augmentant la température, on favorise la sublimation du filament et on accélère donc sa dégradation. De ces deux contraintes, est né un compromis entre une consommation d'électricité réduite et une durée de vie allongée, un compromis économique entre le coût de remplacement des ampoules et celui de l'électricité nécessaire pour les alimenter.[réf. nécessaire]

Par exemple, si on réduit la tension de 18 % (ou, inversement, si on conçoit la lampe pour supporter une tension supérieure à la tension disponible), on peut effectivement multiplier la durée de vie par 24. Mais, en contrepartie, la luminosité est diminuée de moitié, et il faut alors deux lampes pour obtenir le même éclairage. La consommation de chaque lampe est donc plus réduite, mais au final, il faut 45 % d'énergie en plus pour obtenir la même luminosité.

L'ampoule centenaire ou ampoule de Livermore est souvent citée comme preuve a contrario de la mise en œuvre de l'obsolescence programmée dans la fabrication des ampoules modernes[10]. Cette lampe de 4 W, à filament carbone, soufflée à la main, fabriquée à Shelby (Ohio), par la "Shelby Electric Company" à la fin des années 1890, brillerait depuis 1901 dans la caserne des pompiers de Livermore en Californie. N'ayant presque jamais été éteinte, elle serait la plus vieille lampe à incandescence encore en marche au monde. En fait, elle est alimentée par une tension très inférieure à la tension pour laquelle elle a été conçue. Sa durée de vie est donc augmentée au prix d'une consommation électrique importante.

Techniquement, les équations reliant consommation, luminosité et durée de vie des ampoules[11],[12] peuvent être résumées comme suit : si la tension d'alimentation appliquée à l'ampoule est notée U, la luminosité est proportionnelle à U^{3,5}, la puissance électrique (la consommation d'énergie) est proportionnelle à U^{1,6} et la durée de vie est proportionnelle à U^{-16}. Ainsi, bien qu'une faible diminution de la tension augmente très fortement la durée de vie, elle augmente la puissance électrique consommée à luminosité constante.

Le cartel Phœbus et l'obsolescence programmée[modifier | modifier le code]

Créé le 23 décembre 1924, le cartel Phœbus regroupait les principaux fabricants mondiaux d'ampoules. Les industriels éditent une charte commune indiquant qu'il ne pourra plus être fabriqué d'ampoules ayant une durée de vie supérieure à 1 000 heures. Ils se dotent pour cela d'une instance commune de vérification et de répression éventuelle au moyen d'amendes d'autant plus élevées que la vie constatée des ampoules est longue.

En 1924, la durée de vie des ampoules était variable avec une moyenne de 2 500 heures. En 1927, dans le monde entier, la durée de vie des ampoules des grandes marques était alignée sur 1 000 heures. Cette situation provoque évidemment un plus grand renouvellement des ampoules par les consommateurs et le cartel Phœbus a été accusé d'avoir mis en place sur la lampe à incandescence classique le premier programme massif et mondial d'obsolescence programmée[13].

Les pratiques du Cartel de Phœbus ont fait l'objet en 1951 d'un rapport de la commission anti-trust britannique. Si ce rapport dénonce une entente sur les prix qui aurait conduit le consommateur à payer plus cher ses lampes, il réfute par contre l'accusation d'une limitation de la durée de vie en défaveur du consommateur, montrant que cette durée de vie n'a pas été établie dans le but de réduire la concurrence, mais qu'elle résulte d'un compromis technique entre luminosité, consommation, couleur et durée de vie[14].

Culture populaire[modifier | modifier le code]

Dans les bandes dessinées et dessins animés, l'apparition d’une idée est souvent représentée par une lampe à incandescence qui s’allume au-dessus de la tête du personnage.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc,‎ 2009, 90e éd., Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)
  2. Science et Vie avril 2011
  3. « Retrait des lampes à incandescence », sur Ma Maison Économe.com,‎ 18 décembre 2008 (consulté le 10 octobre 2013)
  4. Jean-Luc Goudet, « Ampoules électriques à incandescence : extinction prévue en 2012 », sur Futura-Sciences,‎ 10 décembre 2008
  5. (fr) Jean-Charles Batenbaum, « L'Union européenne a fixé le calendrier de fin de vie des lampes traditionnelles », sur Actualites-news-environnement.com,‎ 9 décembre 2008 (consulté le 11 juin 2012)
  6. a, b, c et d T.J. Keefe, « The Nature of Light »,‎ 2007
  7. Science et Vie, avril 2011, d'après des valeurs moyennes, d'après une étude de l'INC et confirmée par Bernard Duval et Nicolas Poucet, membres de la commission internationale de l'éclairage
  8. Des test réalisés en France, par l'Institut National de la Consommation (INC)
  9. Deux études réalisées, l'une aux Pays-Bas, par l'Institut National de Métrologie, l'autre, en France, par le Laboratoire National d'Essais, le Centre Technique du Bâtiment et le CEA-LETI et selon Bernard Duval, délégué général de l'Agence Française de l'Eclairage, « Le marché serait pourri par des fabricants opportunistes qui vendent des produits de très mauvaise qualité !»
  10. Une webcam délivre en permanence des images de l'ampoule à cette adresse
  11. Fink, Donald G.; H. Wayne Beaty (1978). Standard Handbook for Electrical Engineers, Eleventh Edition. New York: McGraw-Hill. pp. 22–8. ISBN 0-07020974-X.
  12. http://drgoulu.com/2011/10/16/la-veritable-histoire-de-lampoule-de-livermore
  13. Cette théorie a été popularisée en France par le film documentaire Prêt à jeter de Cosima Dannoritzer (2010)
  14. Competition Commission - Report on the Supply of electric Lamps Consultable en ligne

Annexes[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

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