Lampe électrique
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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, dans le langage populaire, 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]
- 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 perd un procès l'opposant à Joseph Swan, dont l'antériorité est reconnue, mais qui a moins bien protégé son invention. Les deux hommes seront autorisés à fabriquer leurs ampoules[1].
- Longtemps, les lampes à incandescence utiliseront 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)[2].
- Les lampes utiliseront 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]
Lampe incandescente [modifier]
Lampe incandescente halogène [modifier]
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.
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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 du fait que les fabricants n'ont aucun intérêt à diffuser ce type de produit qui rallongerait considérablement la durée de vie des lampes, sans oublier le contrôle des surtensions.[non neutre]
Lampe à nanotubes [modifier]
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[3].
Défauts [modifier]
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.
Autre gros défaut : seuls 5 % de l'énergie électrique sert à l'éclairage… et 95 % à chauffer (voir Efficacité lumineuse) (la température du verre d'une lampe à incandescence 230 volts sous tension atteint pratiquement 300 °C ; attention donc à ne poser ni tissu, ni carton, ni papier, ni bois… directement sur le verre sous peine de risque d'incendie).
Sources à décharge luminescente sous basse pression [modifier]
Les sources à décharges produisent de la lumière grâce à un gaz ou une vapeur faiblement ionisé (à l'exception des lampes au sodium), un plasma. 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. Expérimentées en 1869 par Edmond Becquerel, elles regroupent :
- Les lampes fluorescentes à vapeur de mercure ;
- Les lampes à vapeur de sodium basse pression ;
- Les tubes fluorescents improprement appelés « néons ».
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.
Lampes fluorescentes [modifier]
Le principe de fonctionnement est le suivant :
- Une décharge électrique à travers 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 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]
- 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]
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).
Lampe à décharge luminescente sous haute pression [modifier]
Ces lampes 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 premières lampes de ce type ont été créées au début du XXe siècle et regroupent principalement :
- Les lampes à vapeur de mercure ;
- Les lampes aux halogénures métalliques ;
- Les lampes à vapeur de sodium haute pression.
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.
Lampes à arc sous très haute pression [modifier]
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.
Source électroluminescente à semi-conducteur [modifier]
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
. Elle est alors radiative (émissive) et elle s'accompagne de l'émission d'un photon.
. 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 encore modeste e 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 40 % 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 toute les directions en ne consommant que de 12 watts[4]. 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 €)[4].
Chimioluminescence [modifier]
- 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]
La fixation mécanique des lampes électriques est en général standardisé, 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]
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]
Consommation d'énergie et émission de carbone [modifier]
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]
Elles font partie objets 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[5]. 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]
- « 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
- Site de l'ampoule de Livermore (repris dans France Soir, édition du 14 février 2011
- Nanobulbs make their debut - physicsworld.com
- Enerzine (2013), [La Nanolight : l'ampoule électrique la plus efficace du monde], consulté
- 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]
- Éclairage
- Chronologie des techniques d'éclairage
- Indice de rendu de couleur
- Luminothérapie
- Lumen, watt, lux
- Plasma
- Température de couleur
- Tube électronique
- Centrale électrique
- Pollution lumineuse
- Nuisances lumineuses
- Efficience énergétique
- Obsolescence programmée
