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

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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

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

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

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

  • 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

Flux et efficacité lumineuse

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 W25 lm5 lm/W
15 W110 lm7,3 lm/W
25 W200 lm8,0 lm/W230 lm9,2 lm/W
40 W500 lm12,5 lm/W430 lm10,8 lm/W
60 W850 lm14,2 lm/W730 lm12,2 lm/W
75 W1200 lm16,0 lm/W
100 W1700 lm17,0 lm/W1380 lm13,8 lm/W
150 W2850 lm19,0 lm/W2220 lm14,8 lm/W
200 W3900 lm19,5 lm/W3150 lm15,8 lm/W
300 W6200 lm20,7 lm/W5000 lm16,7 lm/W
500 W8400 lm16,8 lm/W

Formes

Codes de formes de lampes à incandescence.

Vers la fin des lampes à incandescence en Occident