Lampe électrique

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Ampoule électrique (230/240 V à culot à vis Edison E27 [diamètre du culot :27 mm]) au sens étendu du terme...

Une lampe électrique est un objet destiné à convertir de l'énergie électrique en lumière.

Les premières lampes électriques, existant encore de nos jours, sont constituées d'une enveloppe de verre protégeant un filament porté à incandescence ; on les désigne souvent par le terme ampoule (du latin ampulla : petit flacon, fiole). Par extension, l’ampoule électrique désigne tout système, protégé par une enveloppe de verre, destiné à produire de la lumière à partir de l'électricité.

Puis d'autres types de lampes électriques ont été créés : tubes fluorescents, lampes halogènes, lampes à LED, etc.

Historique[modifier | modifier le code]

Première lampe électrique de Thomas Edison en 1879.
  • 1808 : premières expérimentations dans les sous-sols de la Royal Institution où Humphry Davy a fabriqué une pile électrique géante composée de plus de 800 piles voltaïques reliées à deux bâtonnets de charbon de bois. En rapprochant les bâtonnets, le flux continu de charges électriques provoque un arc électrique à l'origine d'une étincelle continue et aveuglante[1].
  • 1835 : James Bowman Lindsay invente à Dundee la première ampoule électrique à incandescence moderne. L'ampoule est posée sur le culot et offre une puissance lumineuse adaptée à la lecture. Il ne protège pas son invention et ne développe pas la technologie au-delà du prototype.
  • 23 septembre 1879 : Thomas Edison conçoit et commercialise une ampoule dont le filament est une fibre de coton carbonisée. Il met au point un procédé de fabrication industrielle des ampoules. Parallèlement, il perd un procès l'opposant à Joseph Swan, dont l'antériorité est reconnue, mais qui a moins bien protégé son invention et ne propose pas de procédé de fabrication industrielle. Les deux hommes sont autorisés à fabriquer leurs ampoules dans une société commune[2].
  • Longtemps, les lampes à incandescence utilisent un filament de carbone. Réputées pour leur longévité, quelques-unes étaient encore en service dans le métro parisien à la fin des années 1950. Ainsi, depuis 1901 au plafond de la caserne des pompiers de Livermore (Californie), brillerait sans interruption une ampoule, l'Ampoule centenaire, désormais filmée en permanence par webcam (les deux premières webcams étant d'ores et déjà, quant à elles, tombées en panne)[3].
  • De l'engouement pour l'éclairage électrique public on passe dans les années 1920 à celui d'ampoules pour les usages privés, grâce à l'arrivée de sources d'énergie bon marché, qui découle par exemple en France de la multiplication par huit de la production hydroélectrique.
  • Les lampes utilisent ensuite le tungstène.
  • Le culot à baïonnette est inventé par Swan, en concurrence avec le culot à vis d’Edison. La rivalité des deux hommes perdure donc indirectement aujourd'hui.

Les lampes à incandescence ont souvent une forme ramassée et rebondie, mais peuvent être allongées (linolite). Elles sont parfois alors confondues avec des tubes fluorescents (voir ci-dessous).

Le tube fluorescent utilisé pour l'éclairage et les enseignes lumineuses est généralement linéaire, mais à la fin du XXe siècle, cette technologie a évolué en permettant la fabrication de formes diverses, plus compactes, intégrant une alimentation électronique, se substituant directement aux lampes à incandescence. Les premiers furent au néon, donnant une belle couleur rouge-orangé. Un abus de langage fit quelque temps nommer « néons » l'ensemble des tubes fluorescents.

Il existe aujourd'hui des lampes composées de diodes électroluminescentes, elles ne sont utilisées pour l'éclairage que depuis le début du XXIe siècle.

Incandescence[modifier | modifier le code]

Lampe incandescente[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Lampe à incandescence classique.

Lampe incandescente halogène[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Lampe à incandescence halogène.
Lampe à iode

Elle fut inventée en 1959 par Edward G. Zubler et Frederick Mosby, employés de General Electric. Elle produit elle aussi de la lumière en portant à incandescence un filament. À l'intérieur de la lampe, un mélange de gaz noble et d'un gaz halogéné (iode, bromure de méthyle ou dibromure de méthylène) à haute ou basse pression limite le noircissement de l'ampoule normalement dû à l'évaporation du filament de tungstène.

Plus précisément, les atomes de tungstène évaporés se combinent au gaz d'halogène formant un composé volatil qui ne se condense pas à la surface interne de l'ampoule. Ce composé halogéné se re-dissocie en tungstène + halogène au contact du filament sous l'effet de la chaleur, assurant à ce dernier une régénération permanente, bien qu'à terme non homogène. Une lampe halogène a ainsi une durée de vie plus longue qu'une lampe à incandescence classique.

De plus, ce cycle chimique permet l'emploi d'ampoules plus compactes, ainsi qu'une température de filament plus élevée, donnant une lumière plus éclatante, de température de couleur (voir figure ci-contre) plus élevée (jusqu'à 3 400 K), le tout avec un rendement accru. La température élevée de l'ampoule nécessite l'emploi de matériaux tels que le quartz pour les lampes les plus compactes, ou du Pyrex, du Vycor ou autres verres durs à base d'aluminosilicates pour les modèles plus larges. Les dispositifs électroniques permettant d'éviter ces chocs thermiques (allumage/extinction à courbe progressive/dégressive) n'ont pas beaucoup de succès.

Lampe à nanotubes[modifier | modifier le code]

Elle fonctionne comme le modèle traditionnel, mais on y a remplacé le filament de tungstène par un nanotube en carbone. Développée en 2004 par des chercheurs chinois dirigés par Jinquan Wei, elle présente l'avantage d'émettre plus de lumière à puissance égale. Une commercialisation est envisagée dès 2009[4].

Défauts[modifier | modifier le code]

Filament de lampe

À chaque allumage de la lampe, le filament est soumis à une surchauffe, l'intensité du courant électrique étant supérieure dans le filament froid, c'est pour cette raison que les lampes grillent la plupart du temps au moment de l'allumage, y compris les halogènes.

Le filament s'évapore lentement au fil des heures passées dans un état proche de la fusion, il s'amincit donc et finit par fondre lors d'un allumage ou par casser au premier choc mécanique important. Autre effet, les gaz résultant de l'évaporation du filament, en se condensant sur l'ampoule, noircissent petit à petit le verre, diminuant ainsi la quantité de lumière produite par la lampe.

Seule 5 % de l'énergie électrique sert à l'éclairage et 95 % est dissipée sous forme de chaleur (voir Efficacité lumineuse) (la température du verre d'une lampe à incandescence 230 volts sous tension atteint pratiquement 300 °C[réf. souhaitée] ; attention donc à ne poser ni tissu, ni carton, ni papier, ni bois… directement sur le verre sous peine de risque d'incendie).

Lampes à décharge[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Lampe à décharge.

Une lampe à décharge est une lampe électrique constituée d'un tube ou d'une ampoule en verre rempli de gaz ou de vapeur métallique, sous haute ou basse pression, au travers duquel on fait passer un courant électrique. Soumises à une forte différence de potentiel appliquée entre les électrodes situées de chaque côté de la lampe, les molécules sont ionisées, ce qui provoque la formation d'un arc électrique, c'est-à-dire la circulation d'un flux d'électrons de la cathode vers l'anode. Lors des collisions entre ces électrons et les atomes du gaz, les électrons sont chassés de leur orbite, changent de couche et y reviennent en émettant un photon, dont la longueur d'onde (sa couleur) dépend de la nature du gaz.

Dans les lampes à décharge sous basse pression, la pression de remplissage varie de quelques millibars à plusieurs dizaines de millibars et les puissances dissipées par unité de longueur sont relativement faibles. Cette caractéristique impose des lampes de dimensions relativement grandes. On trouve dans cette catégorie :

Les lampes à décharge sous haute pression ont une pression interne de l'ordre du bar à la dizaine de bars. Il en résulte que le gaz ionisé responsable de l'émission lumineuse est beaucoup plus brillant et chaud. Ainsi, de plus fortes puissances peuvent être dissipées dans un espace de quelques centimètres. Les principaux types sont :

Tubes et lampes fluorescentes[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Tube fluorescent et Lampe fluorescente.

Le principe de fonctionnement est le suivant :

  • Un arc électrique traverse un gaz constitué d'un mélange de vapeur de mercure et d'un gaz noble, produit un rayonnement ultraviolet.
  • Cette lumière, non exploitable directement dans un but d'éclairage, est absorbée par une poudre fluorescente recouvrant la paroi interne de l'ampoule de verre.
  • Cette poudre restitue l'énergie lumineuse sous forme de lumière visible.
  • La température de couleur de la lumière émise peut être contrôlée sur une très large plage en apportant des modifications dans la composition de la poudre fluorescente.

La valeur de rendement peut atteindre jusqu'à 115 lumens par watt pour les tubes fluorescents à très haut rendement. Ces lampes ont un bien meilleur rendement que les sources à incandescence, bien qu'elles soient associées à un appareillage complexe, variable suivant le ou les gaz utilisés pour leur mise en œuvre.

Ces lampes se présentent sous différentes formes :

  • Tubulaire-linéaire : avec des électrodes à émission thermo-électronique à chaque extrémité
  • Tubulaire-circulaire : avec les électrodes connectées à une douille commune
  • Tubulaire-compacte : dont le tube à décharge est plié plusieurs fois
  • Sphérique : dont la décharge électrique est excitée par une antenne radiofréquence

Lampe à vapeur de sodium[modifier | modifier le code]

Article détaillé : lampe à vapeur de sodium.
  • Les lampes à vapeur de sodium sous basse pression sont composées d'un tube en U rempli d'un mélange néon-argon et enclos dans une ampoule externe tirée sous vide. Le rayonnement est orange quasi monochromatique.
  • Ces lampes ont un rendement très élevé, compris entre 100 et 200 lm/W
  • Il existe deux types de lampes : les modèles standard (SOX) et à haut rendement (SOX-E)

Lampes à lueur[modifier | modifier le code]

Ces lampes présentent un cas à part dans la famille des sources sous basse pression. La très faible distance entre leurs électrodes ne permet pas le développement complet de la décharge luminescente. Seule une gaine lumineuse, la lueur négative, se développe autour de la cathode. Ces lampes sont généralement très compactes et dissipent des faibles puissances comprises entre un demi-watt et quelques dizaines de milliwatts. Elles sont souvent utilisées comme témoins lumineux (détection de courant, de tension ou de mise en marche d’un circuit).

Il existe quatre types de lampes à lueur :

  • Lampes au néon (orange) ;
  • Lampes au néon-xénon avec revêtement fluorescent (vert, bleu) ;
  • Lampes à argon (bleu, ultraviolet) ;
  • Lampes à hélium (rose).

Lampes à arc sous très haute pression[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Lampe à arc.

Ces lampes ont une pression interne supérieure à 20 bars et pouvant atteindre 300 bars. La lumière est engendrée par un arc dont les conditions extrêmes de pression, de courant et de densité de puissance permettent d'obtenir les densités de rayonnement les plus élevées. Les lampes les plus couramment utilisées ont un arc relativement court de 1 à 30 mm, ce qui permet un excellent contrôle optique de la lumière émise. Trois classes de lampes à arc court sont commercialisées :

  • Les lampes au xénon ;
  • Les lampes à vapeur de mercure ;
  • Les lampes aux halogénures métalliques.

Il existe aussi des lampes capillaires à vapeur de mercure opérant dans la gamme de pression comprise entre 50 et 100 bars. Ces sources présentent un arc relativement long (entre 1 et 10 cm) enfermé dans une enveloppe tubulaire en quartz de quelques millimètres de diamètre. Ces lampes sont refroidies par eau ou par jet d'air comprimé afin d'éviter la dévitrification rapide de l'ampoule.

Pour des usages plus spécifiques il existe aussi d'autres types de sources :

  • Les lampes au xénon à arc long ;
  • Les lampes au krypton à arc long.

Source électroluminescente à semi-conducteur[modifier | modifier le code]

Une diode électroluminescente fonctionne comme suit :

  • Lors de la recombinaison d'un électron et d'un trou dans un semi-conducteur, il peut y avoir émission d'un photon.
  • La transition d'un électron entre la bande de conduction et la bande de valence peut se faire avec la conservation du vecteur d'onde \vec{k}. Elle est alors radiative (émissive) et elle s'accompagne de l'émission d'un photon.

Composées de souvent plusieurs diodes électroluminescentes haute luminosité, d'une durée de vie très importante (50 000 heures) apparaissent des lampes à diodes. Dans les années 2000-2010, leur coût reste élevé, et il leur faut une alimentation électrique en courant continu de basse tension, pour un rendement lumineux qui était souvent proche de l'UV (50 lm/W pour les meilleures sources), ce qui a limité leur démocratisation face aux lampes à filaments.

La diode a néanmoins majoritairement remplacé la lampe a incandescence dans certains secteurs (ex : voitures de luxe et de dernières générations) ; les lampes portatives ne sont plus vendues qu'équipées de LED améliorant leur autonomie et longévité, pour une consommation très inférieure à celles des incandescentes.

En mai 2013, une lampe dite « nanolight » est attendue sur le marché. Elle éclaire comme une lampe de 100w (1.600 lumens), dans toutes les directions en ne consommant que de 12 watts[5]. Elle a bénéficié d'investissements collaboratifs et participatifs avec Kick-Starter (169.700 euros réunis du 1er janv 2013 au 8 mars 2013 par 4.800 investisseurs, alors que l'objectif initial était de 14.750 €)[5].

Chimioluminescence[modifier | modifier le code]

  • Dans un tube en plastique, un composé chimique réagit à une action mécanique, ce phénomène permet d'obtenir une source de lumière de secours (type Snaplight).
  • Des objets (bracelets, colliers, cerceaux, etc.) décoratifs sont utilisés lors de fêtes nocturnes.
  • En criminologie, le phénomène permet de mettre en évidence des traces de sang peu ou pas visibles à l'œil nu (dans ce cas, le luminol réagit avec les ions fer des globules rouges, en produisant de la lumière).

Support mécanique[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Support des lampes électriques.

La fixation mécanique des lampes électriques est en général standardisée, permettant la bonne tenue mécanique et électrique, ainsi que le respect des contraintes de sécurité. Les supports culot+douille les plus anciens sont la vis Edison et la baïonnette.

Applications[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Éclairage.

On trouve des lampes dans l'éclairage public, industriel, commercial, dans l'éclairage domestique, dans l'agriculture, les dispositifs de signalisation et de secours, les loisirs (éclairage festif).

Eclairage, lampes et environnement[modifier | modifier le code]

A titre d'exemple : Indicateurs simplifiés de « contenu CO2 » de l'électricité, en France métropolitaine, par grands types d'usages (dont l'éclairage), sur la base de moyennes calculées sur la base des statistiques disponibles (EDF & ADEME, 2005). Ici, seules sont prises en compte les émissions directes, et non les émissions grises. Ces donnée varient selon les époques et les pays (part du nucléaire plus importante dans certains pays, dont la France)
Détail des principaux indicateurs (pour l'électricité / en France métropolitaine, en 2005), avec plages de variations quand elles sont connues. L'éclairage apparait comme un des facteurs importants de l'empreinte carbone.
Cette vidéo faite en octobre 2011 par des astronautes survolant la terre de nuit montre que l'éclairage artificiel affecte maintenant l'environnement nocturne à échelle globale (Pollution lumineuse ; Comparaison possible avec les images plus anciennes de Google earth via son menu : Earth City Lights).

Consommation d'énergie et émission de carbone[modifier | modifier le code]

La consommation d'électricité dédiée à l'éclairage est en croissance régulière depuis plus d'un siècle, malgré l'apparition de lampes basses consommation. L'empreinte écologique et l'empreinte carbone ou le « contenu CO2 » de l'éclairage varient beaucoup selon le type de lampe, leur usage et la manière dont l'électricité qu'elles consomment a été produit

Les lampes[modifier | modifier le code]

Elles font partie de la vie courante et interagissent avec l'environnement, plus ou moins selon leur durée de vie, leur type d'émission (infra-rouge, UV...) les modèles et leurs composants, leur « obsolescence programmée » ainsi que selon la manière dont elles seront ou non collectées, démontées et recyclées pour certains de leurs composants (chimiques notamment) ;

Leur fabrication a été source de consommation de matières premières et d'énergie ;

Leur fonctionnement est dans certains cas très consommateur d'énergie, voire de gaspillage énergétique et d'électricité ;

Elles sont sources de déchets électriques et électroniques parfois difficiles à recycler. Beaucoup de lampes contiennent des composants toxiques ou dangereux (vapeur de mercure par exemple) ;

Elles peuvent contribuer au phénomènes de halo, de nuisance lumineuse et de pollution lumineuse pour partie pris en compte en France par les Loi Grenelle I et Grenelle II.

Dans de nombreux pays, dont en France et en Europe, des filières spécialisées de recyclage ou au moins de tri sélectif s'organisent.

En France, les « appareils d'éclairage domestique et des ampoules à filament » doivent être éliminées conformément aux articles 4 et 5 du décret de 2005[6]. Ce recyclage peut être facilité par une écoconception du produit en amont, et toutes choses égales par ailleurs des lampes plus résistantes et durables (à leds par ex) diminueront de beaucoup la quantité de déchets produite à service égal.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Robert Friedel, Paul B. Israel, Edison's Electric Light. The Art of Invention, JHU Press,‎ 2010, p. 5-6
  2. « Swan’s earlier invention was recognized by the court and Edison failed. As part of the court settlement, Edison was obliged to recognize Swan’s independent and earlier invention and to set up a joint company, the Edison and Swan United Electric Light Company, to exploit the incandescent bulb », Light years, Brian Clegg, WIley, 2001, pages 205-207
  3. Site de l'ampoule de Livermore (repris dans France Soir, édition du 14 février 2011
  4. Nanobulbs make their debut - physicsworld.com
  5. a et b Enerzine (2013), [La Nanolight : l'ampoule électrique la plus efficace du monde], consulté
  6. Décret n° 2005-829 du 20 juillet 2005 relatif à la composition des équipements électriques et électroniques et à l'élimination des déchets issus de ces équipements

Articles connexes[modifier | modifier le code]

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