Lampe électrique

Une lampe électrique est un objet conçu pour convertir de l'électricité en lumière.

Depuis l'origine, les lampes électriques sont constituées d'une enveloppe de verre protégeant un filament porté à incandescence ; on les sert à désigner fréquemment par le terme ampoule (du latin ampulla : petit flacon, fiole). Par extension, dans le langage populaire, l'ampoule électrique sert à désigner tout dispositif, protégé par une enveloppe de verre, conçu pour produire de la lumière à partir de l'électricité.

Ampoule électrique 230/240 V à culot à vis Edison E27 (27 mm)

Une Lampe à incandescence classique

Historique rapide

• 21 octobre 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 s'est vu consacrée, 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. Quelques unes étaient toujours en service dans le métro parisien à la fin des années 1950.
• Les lampes utiliseront ensuite le tungstène.
• Le culot à baïonnette est découvert par Swan, en concurrence avec le culot à vis d'Edison. La rivalité des deux hommes perdure par conséquent indirectement actuellement.

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

Le tube fluorescent utilisé pour l'éclairage et les enseignes lumineuses est le plus souvent linéaire, mais à la fin du XX^e siècle, cette technologie a évolué en donnant la possibilité 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" la totalité des tubes fluorescents dans les milieux populaires.

Il existe actuellement des lampes composées de diodes électroluminescentes, elles ne sont utilisées pour l'éclairage que depuis le début du XXI^e siècle.

Incandescence

Lampe à incandescence classique

Elle produit de la lumière en portant à incandescence un filament de tungstène. Cette application de l'électricité est une des plus simples et n'a que peu évolué en plus d'un siècle et demi. Les inventeurs et découvreurs des principes de la lampe à incandescence sont :

• 1878, Joseph Swan pour la lampe à filament de carbone ;
• 1879, Thomas Edison pour le principe du vide dans l'ampoule ;
• 1906, Carl Auer von Welsbach pour le filament d'osmium et tungstène ;
• 1909, William Coolidge pour le filament de tungstène ductile ;
• 1911, Irving Langmuir pour le bobinage des filaments et l'emploi d'un remplissage gazeux.

Le filament résistant, traversé par un courant électrique, est porté à incandescence par effet Joule. L'ampoule en verre, remplie de gaz inertes (1/3 azote et 2/3 argon) est indispensable pour éviter la destruction rapide du filament par combustion et limiter la sublimation du tungstène.

Certaines lampes à incandescence, nommées linolites, sont de forme allongée, ce qui les fait confondre avec des tubes fluorescents.

Lampe à halogènes

Elle fut découverte 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. Au sein 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 exactement, 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, quoiqu'à terme non homogène. Une lampe halogène a ainsi une durée de vie plus longue qu'une lampe à incandescence classique. Qui plus est , 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 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.

Lampe à nanotubes

Elle fonctionne comme le modèle respectant les traditions, 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. ([1])

Défauts

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 majorité du temps au moment de l'allumage.

Le filament s'évapore lentement au fil des heures passées dans un état proche de la fusion, il s'amincit par conséquent 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 progressivement le verre, diminuant ainsi la quantité de lumière produite par la lampe.

Autre gros défaut : seuls 5 % de l'énergie électrique permet de l'éclairage... et 95 % à chauffer (voir Efficacité lumineuse) (la température du verre d'une lampe à incandescence 230 volts sous tension atteint quasiment 300 °C ; attention par conséquent 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

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 fluctue de quelques millibars à plusieurs dizaines de millibars et les puissances dissipées par unité de longueur sont assez faibles. Cette caractéristique impose des lampes de dimensions assez grandes. Expérimentées en 1869 par Louis Becquerel, elles regroupent :

• Les lampes fluorescentes à vapeur de mercure ;
• Les lampes à vapeur de sodium basse pression ;
• Les tubes fluorescents improprement nommés «néons».

Ces lampes ont un bien meilleur rendement que les sources à incandescence, quoiqu'elles soient associées à un appareillage complexe, variable suivant l'ou les gaz utilisés pour leur mise en œuvre.

Lampes fluorescentes

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 particulièrement 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

• 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 particulièrement élevé, compris entre 100 et 200 lm/W
• Il existe deux types de lampes : les modèles standard (SOX) ainsi qu'à haut rendement (SOX-E)

Lampes à lueur

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 le plus souvent particulièrement compactes et dissipent des faibles puissances comprises entre un demi-watt et quelques dizaines de milliwatts. Elles sont fréquemment 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

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 bien 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 XX^e siècle et regroupent essentiellement :

• 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 particulièrement haute pression

Ces lampes ont une pression interne supérieure à 20 bars et pouvant atteindre 300 bars. La lumière est génèrée 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 fréquemment utilisées ont un arc assez 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 assez 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

Composées de fréquemment plusieurs diodes électroluminescentes haute luminosité, d'une durée de vie particulièrement importante (50 000 heures) les lampes à diodes commencent à remplacer les lampes à incandescence dans l'éclairage portatif et pour la signalisation. Leur coût toujours élevé, l'obligation de l'emploi d'alimentation électrique spécifique (courant continu de basse tension) et leur rendement lumineux toujours modeste (50 lm/W pour les meilleures sources) limitent toujours leur démocratisation face aux lampes à filaments.

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.

Chimioluminescence

• 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 sert à 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

La fixation mécanique des lampes électriques est généralement standardisé, donnant la possibilité la bonne tenue mécanique et électrique, mais aussi le respect des contraintes de sécurité. Les supports culot+douille les plus anciens sont la vis Edison et la baïonnette.

Applications

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

Notes et références

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