Lampe à incandescence

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Lampe à incandescence de modèle courant

La lampe à incandescence est un luminaire électrique qui éclaire en portant à incandescence par effet Joule un filament de tungstène, le métal qui a le plus haut point de fusion (3 422 °C[1]).

Expérimentée au milieu du XIXe siècle, la lampe à incandescence, perfectionnée au cours du XXe siècle, est devenue au cours de ce siècle la principale source d'éclairage domestique et mobile. Au XXIe siècle, sa mauvaise efficacité lumineuse fait préconiser officiellement d'autres procédés.

Historique[modifier | modifier le code]

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Les premières expériences d'éclairage électrique par incandescence datent du milieu du XIXe siècle.

En 1835, James Bowman Lindsay présenta à Dundee une lampe électrique à lumière constante, probablement à incandescence, qui lui permettait de « lire un livre à une distance d'un pied et demi » (50 cm). Il ne se préoccupa pas d'exploiter son invention[réf. souhaitée]. En 1858 et 1859 les français Charles de Changy et Théodose du Moncel essaient aussi des systèmes d'éclairage électrique à incandescence[2].

En 1860, le britannique Joseph Swan démontre que l'incandescence peut être prolongée sans détruire le filament, sous vide d'air. La mise au point de pompes à vide efficaces à partir de 1875 lui permet de présenter en 1879 une lampe à incandescence fonctionnelle, avec un filament de carbone sous vide. La même année Thomas Edison conçoit et met sur le marché une ampoule dont le filament est une fibre de coton carbonisée. Il met au point un procédé de fabrication industrielle des ampoules. Dans un procès judiciaire, l'antériorité de Joseph Swan est reconnue, mais celui-ci ne propose pas de procédé de fabrication industrielle. Les deux hommes sont obligés de fabriquer leurs ampoules dans une société commune[3]. Ils diffusent rapidement leur lampe, qui a des avantages évidents sur l'éclairage au gaz qu'elle remplace, mais le filament de carbone, en se sublimant puis en se condensant sur le verre de la lampe, opacifie assez rapidement le verre.

En 1897, la lampe de Nernst remplace le filament de carbone par un filament de céramique, plus efficace. Ce matériau ne se sublime pas, éliminant la nécessité du vide ; mais la lampe ne s'alume qu'après un délai de pré-chauffage de 10 à 20 s[4].

En 1904, la firme hongroise Tungsram met au point une lampe à filament de tungstène. Repris en Allemagne par Auer, puis par tous les fabricants, le métal élimine rapidement le carbone, grâce à sa lumière plus vive et à sa longévité accrue.

En 1913, l'ampoule n'est plus sous vide d'air, mais sous gaz noble, argon puis krypton. En 1959, la société d'Edison, devenue la General Electric, diffuse la lampe à incandescence sous iode. L'iode, un gaz halogène, et l'enveloppe de verre de quartz permettent de réduire la sublimation du tungstène du filament, permettant de le chauffer plus, améliorant le rendement lumineux et élevant la température de couleur. Les lampes sous gaz halogène, diffusées massivement d'abord pour les automobiles (phare à iode), ont de nombreux usages professionnels en raison de leur indice de rendu de couleur supérieur.

Au XXIe siècle, l'Union européenne et d'autres pays se disposent à retirer de la circulation les lampes à incandescence en raison de leur mauvaise efficacité lumineuse.

Descriptif[modifier | modifier le code]

1- Ampoule de verre
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 (filetage ou baïonnetteetc.)
10 - Isolant
11 - Plot central (contact électrique)

En présence de dioxygène, le filament porté à haute température brûle instantanément, c'est la raison pour laquelle ce type de lampe a été muni d’une enveloppe de verre, l’ampoule qui a donné son nom populaire au dispositif et qui permet d'isoler un milieu sans oxygène.

L’ampoule est emplie d'un gaz noble caractéristique du type d’ampoule, le plus souvent de l’argon ou du krypton, ou, dans certains cas, d'un gaz halogène. Autrefois, c'est le vide qui isolait le filament dans son ampoule.

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 à usage domestique, 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 commune de lampe à incandescence est l'ampoule « bulbe », mais on trouve également d'autres formes, dont celle de tube appelée linolite.

Lampe halogène[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Lampe à incandescence halogène.

Une lampe à incandescence halogène, ou plus couramment « lampe halogène », est une lampe à incandescence dont un gaz ou mélange de gaz halogène remplit l'ampoule. Ce gaz réagit chimiquement avec le tungstène sublimé, formant un halogénure de tungstène qui ne résiste pas à la haute température à proximité du filament, de sorte que le tungstène se redépose, à un emplacement aléatoire, sur le filament, le régénérant partiellement, ce qui augment la durée de vie de la lampe. Ce cycle exige un filament très chaud. Pour resister à la chaleur, l'enveloppe de la lampe doit être en verre de quartz.

Décidé en 2008, l'Europe interdit le renouvellement des stocks de lampes halogénés a compter du [5].

Fonctionnement effectif[modifier | modifier le code]

Surcharge à l'allumage 
Le coefficient de température du tungstène est de 0,0044 K−1. Sa température de fonctionnement est d'environ 2 760 K[6], tandis que la température ambiante, à froid, est vers 290 K (17 °C). La résistance du filament froid est (2760-290)×0,0044 moindre, soit plus de 10 fois plus faible. L'allumage de la lampe provoque une brève surcharge électrique. Le courant peut atteindre dix à quinze fois la valeur nominale. Après au plus un dixième de seconde, le courant est stabilisé[7].
Dilatation 
À la différence de température avec l'ambiante correspond une dilatation thermique. Le coefficient de dilatation du tungstène est de 4,2 × 10−6 K−1[8]. L'échauffement rapide de 2 470 K à l'allumage s'accompagne d'une augmentation de la longueur du filament de 1%. Comme celui-ci a une forme spirale, cet allongement est sans conséquence. Le coefficient de dilatation du tungstène est proche de celui du verre, ce qui limite les contraintes à la traversée de l'ampoule.
L'ampoule doit également résister à la dilatation de l'enveloppe et aux variations de pression qui résultent de l'échauffement du gaz qu'elle contient.
Efficacité lumineuse 
L'intensité de l'éclairage et sa température de couleur dépendent largement de la tension électrique du secteur. Celle-ci n'est souvent garantie qu'à plus ou moins 10 % près[9]. La tension maximale est de 22 % supérieure à la tension minimale. À résistance égale, la puissance dissipée est proportionnelle au carré de la tension ; mais la température du filament varie, faisant varier la résistance. L'efficacité énergétique du corps noir varie comme la température à la puissance 4. L'efficacité lumineuse augmente rapidement avec la température de couleur, atteignant un maximum vers 6 500 K. En définitive, la consommation électrique est proportionnelle à la tension élevée à la puissance 1,6, tandis que le flux lumineux est proportionnel à la tension élevée à la puissance 3,5[10]
L'intensité et la couleur de l'éclairage dépend aussi, dans une moindre mesure, de l'état d'usure de la lampe. La sublimation d'une partie du métal du filament entraîne l'augmentation de la résistance. La puissance fournie diminue, à tension égale, tandis que le dépôt de tungstène sur la paroi intérieure de l'ampoule réduit l'émission lumineuse.
Longévité 
La rupture du filament affaibli par la sublimation du tungstène n'est pas la seule cause possible de défaillance. Une fissure de l'ampoule, laissant pénétrer de l'oxygène, peut aussi causer sa destruction. Ces fissures sont d'autant plus probables que l'ampoule est soumise à des variations de pression ou des réchauffements et refroidissement, qu'ils soient causés par le milieu ou par l'allumage et l'extinction. Le rendement lumineux augmente rapidement avec la température du filament tandis sa longévité se réduit fortement. La durée probable de fonctionnement varie comme l'inverse de la tension élevée à la puissance 16[10]. Une lampe exploitée à la tension maximale du secteur a une durée moyenne de fonctionnement 1,2216 ≈ 24 fois moindre que si elle était allumée à la tension minimale du secteur. La longévité d'une lampe à incandescence dépend fortement de ses conditions d'utilisation.

Défauts[modifier | modifier le code]

  • À chaque allumage, 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[réf. nécessaire].
  • Un vingtième de l'énergie électrique d'une lampe à incandescence sert effectivement à l'éclairage ; le reste est dissipé sous forme de chaleur.
  • La qualité de lumière dépend de l'endroit où la lampe brille : dans les zones densément peuplées, la tension du secteur est généralement proche du maximum, tandis qu'en bout de ligne dans les habitats isolés, elle est proche du minimum : la lumière y est plus faible et plus orangée.
  • La température du verre d'une lampe à incandescence sous tension de 230 volts atteint pratiquement 300 °C[réf. souhaitée]. On ne doit pas la toucher ni poser aucune matière inflammable, ni tissu, ni carton, ni papier, ni bois, directement sur le verre sous peine de risquer l'incendie.
  • Dans les locaux dont l'atmosphère contient des vapeurs inflammables, la lampe doit être enclose dans une enceinte étanche, afin d'éviter l'inflammation en cas de rupture de l'ampoule.
  • L'ampoule chaude est très susceptible aux chocs thermiques.

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

Flux et efficacité lumineuse[modifier | modifier le code]

La luminosité d'une source dans une certaine direction est son intensité lumineuse. Comme cette luminosité varie selon la direction, on utilise pour comparer les lampes la somme des intensités dans toutes les directions, exprimée en lumen, unité de flux lumineux. L'efficacité lumineuse mesure le rapport entre ce flux lumineux et la puissance électrique (en watt) absorbée ; l'efficacité lumineuse s'exprime en lumens par watt (lm/W).

Les lampes à incandescence halogènes n'ont été largement diffusées que dans le dernier quart du XXe siècle. Les consommateurs avaient pris l'habitude de comparer les 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, etc.

Les différentes lampes utilisées comme alternatives aux lampes à incandescence classique ne présentant pas la même efficacité lumineuse, la puissance électrique ne correspond plus à l'éclairage. Il faut indiquer la quantité totale de lumière fournie en lumens.

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 :

Lampes 120 volts[11] Lampes 230 volts[12]
Puissance
électrique
Flux
lumineux
Efficacité
lumineuse
Flux
lumineux
Efficacité
lumineuse
5 W 25 lm 5 lm/W
15 W 110 lm 7,3 lm/W
25 W 200 lm 8,0 lm/W 230 lm 9,2 lm/W
40 W 500 lm 12,5 lm/W 430 lm 10,8 lm/W
60 W 850 lm 14,2 lm/W 730 lm 12,2 lm/W
75 W 1200 lm 16,0 lm/W
100 W 1700 lm 17,0 lm/W 1380 lm 13,8 lm/W
150 W 2850 lm 19,0 lm/W 2220 lm 14,8 lm/W
200 W 3900 lm 19,5 lm/W 3150 lm 15,8 lm/W
300 W 6200 lm 20,7 lm/W 5000 lm 16,7 lm/W
500 W 8400 lm 16,8 lm/W

Formes[modifier | modifier le code]

Codes de formes de lampes à incandescence.

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

Des alternatives aux lampes à incandescence existent, avec une meilleure efficacité lumineuse, 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)[13].

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[14]

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 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.

Certains sites spécialisés proposent de réparer ces ampoules.

Union européenne[modifier | modifier le code]

Les États de l'Union européenne ont approuvé le l’arrêt progressif de la vente des lampes à incandescence de 100 watts à partir du (puis les modèles de 75 watts le et ceux de 60 watts le ), leur abandon définitif devant intervenir le [15]. 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[16]

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

Pourquoi 1 000 heures pour une lampe à incandescence ?[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[17].

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 finalement, 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[18]. Cette lampe de 60 W à l'origine, 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 fonctionnement au monde. En fait, l'augmentation de la valeur de la résistance de son filament (en carbone) avec le temps explique sa durée de vie[17]. Ce qui fait que, d'une valeur nominale de 60 W en début de vie, sa puissance consommée n'est plus que de 4 W (7 % de la valeur du début) et sa luminosité ne correspond plus qu'à 0,3 % de la valeur d'origine[17]. Son rendement a donc été réduit par 24, ce qui revient à dire que le prix en électricité de la lumière produite est 24 fois plus élevé que la normale[17].

Techniquement, les équations reliant consommation, luminosité et durée de vie des ampoules[10],[17] peuvent être résumées comme suit : si la tension d'alimentation appliquée à l'ampoule est notée , la luminosité est proportionnelle à , la puissance électrique (la consommation d'énergie) est proportionnelle à et la durée de vie est proportionnelle à . 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 le premier programme massif et mondial d'obsolescence programmée[19].

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[20].

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, , 90e éd., 2804 p., Relié (ISBN 978-1-420-09084-0).
  2. Desbeaux, La physique populaire, Paris, (lire en ligne), p. 562.
  3. (en) Brian Clegg,, Light years, Wiley, , p. 205-207
    « 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. »
  4. M Magnien, Histoire de la lampe, (lire en ligne).
  5. La plupart des lampes halogènes interdites à partir du 1er septembre, sur 01net.com du 27 août 2018, consulté le
  6. Robert Sève, Science de la couleur : Aspects physiques et perceptifs, Marseille, Chalagam, , p. 40.
  7. Schonek et Marc Vernay, L'alimentation des circuits d'éclairage, Schneider Electric, coll. « Cahiers technique » (no 205), (lire en ligne).
  8. « Tungstène », sur plansee.com (consulté le 6 septembre 2018).
  9. Commission de régulation de l'énergie, « Qualité de l'électricité », (consulté le 5 septembre 2018).
  10. a, b et c (en) Donald G. Fink (editor-in-chief) et H. Wayne Beaty (associate editor), Standard handbook for electrical engineers, New York, McGraw-Hill, coll. « McGraw-Hill handbooks », (ISBN 978-0-070-20974-9 et 0-070-20974-X, OCLC 4655964), p. 22–28.
  11. (en) Quentin Wells, Smart Grid Home, New York, Cengage Learning, , 544 p. (ISBN 978-1-111-31851-2, lire en ligne), p. 163.
  12. (de) Heinz O. Häberle, Gregor Häberle, Hans Walter Jöckel, Rudolf Krall, Bernd Schiemann, Siegfried Schmitt et Klaus Tkotz, Tabellenbuch Elektrotechnik, Haan-Gruiten, Europa-Lehrmittel, , 25e éd. (ISBN 978-3-8085-3227-0, présentation en ligne), p. 190.
  13. Science et Vie avril 2011.
  14. « Retrait des lampes à incandescence », sur Ma Maison Économe.com, (consulté le 10 octobre 2013).
  15. Jean-Luc Goudet, « Ampoules électriques à incandescence : extinction prévue en 2012 », sur Futura-Sciences, .
  16. Jean-Charles Batenbaum, « L'Union européenne a fixé le calendrier de fin de vie des lampes traditionnelles », sur Actualites-news-environnement.com, (consulté le 11 juin 2012).
  17. a, b, c, d et e « La véritable histoire de l'ampoule de Livermore », drgoulu.com, .
  18. Une webcam délivre en permanence des images de l'ampoule à cette adresse.
  19. Cette théorie a été popularisée en France par le film documentaire Prêt à jeter de Cosima Dannoritzer (2010).
  20. (en) Report on the Supply of electric Lamps, Competition Commission, 4 octobre 1951 [PDF].

Annexes[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]