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).

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[1].

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[2]. 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. Dans les années 1880, les fabricants d'éclairage électrique se livrent à une compétition acharnée. Edison recrute Lewis H. Latimer, un ingénieur afro-américain autodidacte, pour déposer et défendre ses brevets et assurer la promotion de son système[3].

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'allume 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, métal ayant le point de fusion le plus élevé, à 3 422 °C[5]). 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 disposent le retrait de la circulation des 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.

Codes de formes de lampes à incandescence.

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 résister à la chaleur, l'enveloppe de la lampe doit être en verre de quartz.

En 2008, l'Europe interdit le renouvellement des stocks de lampes halogénés a compter du [6].

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 2 486,85 °C[7], 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[8].
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[9]. 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[10]. 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[11]
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[11]. 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

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Le cartel Phœbus a regroupé à partir du les principaux fabricants mondiaux d'ampoules. Les industriels éditent une charte commune qui indique qu'il ne pourra plus être fabriqué d'ampoules ayant une durée de vie supérieure à 1000 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[16].

Les pratiques du cartel de Phœbus ont fait l'objet en 1951 d'un rapport de la commission anti-trust britannique. Ce rapport dénonce principalement une entente sur les prix qui a conduit le consommateur à payer plus cher ses lampes. Il explique le compromis technique entre luminosité, consommation, couleur et durée de vie, pour noter que la durée optimale des lampes dépend du rapport entre prix de l'énergie et prix du remplacement des lampes, et qu'il n'y a pas de valeur universelle. Des utilisateurs industriels, qui payent du personnel pour les remplacer, sacrifient l'efficacité à la longévité en réduisant leur tension d'alimentation[17]. La définition d'une durée de vie ne joue pas nécessairement en défaveur du consommateur[[réf. souhaitée]. Elle assure que les produits en vente sont comparables. En un état donné de la technique, la spécification d'une durée de vie entre 800 et 1500 heures équivaut à exiger une luminosité dans une certaine plage ; mais la spécification des mille heures, sans indiquer l'efficacité lumineuse, n'encourageait pas l'amélioration des lampes[18]. Le cartel s'opposait à l'établissement d'une telle norme[19].

Vers la fin des lampes à incandescence

Des alternatives aux lampes à incandescence existent, avec une meilleure efficacité lumineuse, au prix d'un moindre indice de rendu de couleur. Les tubes fluorescents sont en usage depuis longtemps, principalement dans les environnements de travail ; les lampes « fluocompactes » et les diodes électroluminescentes peuvent remplacer les lampes à incandescence dans les mêmes luminaires domestiques.

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)[20][réf. non conforme].

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 [21]. 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[22].

Symbolisme

Dans la bande dessinée et le dessin animé, 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

Cet article est partiellement ou en totalité issu de l'article intitulé « Lampe électrique » (voir la liste des auteurs).
  1. lire en ligne), p. 562.
  2. (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. »

  3. (en) Smithsonian Lemelson Center, « Innovative Lives: Lewis Latimer (1848-1928): Renaissance Man », sur Lemelson Center for the Study of Invention and Innovation, (consulté le 12 août 2019)
  4. M Magnien, Histoire de la lampe, (lire en ligne).
  5. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, , 90e éd., 2804 p., Relié (ISBN 978-1-420-09084-0).
  6. La plupart des lampes halogènes interdites à partir du , sur 01net.com du 27 août 2018, consulté le
  7. Robert Sève, Science de la couleur : Aspects physiques et perceptifs, Marseille, Chalagam, , p. 40.
  8. Schonek et Marc Vernay, L'alimentation des circuits d'éclairage, Schneider Electric, coll. « Cahiers technique » (no 205), (lire en ligne).
  9. « Tungstène », sur plansee.com (consulté le 6 septembre 2018).
  10. Qualité de l'électricité », (consulté le 5 septembre 2018).
  11. 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, 4655964), p. 22–28.
  12. (en) Quentin Wells, Smart Grid Home, New York, Cengage Learning, , 544 p. (ISBN lire en ligne), p. 163.
  13. (de) HeinzO. Häberle, Gregor Häberle, Hans Walter Jöckel, Rudolf Krall, Bernd Schiemann, Siegfried Schmitt et Klaus Tkotz, Tabellenbuch Elektrotechnik, Haan-Gruiten, Europa-Lehrmittel, , 25e éd. (ISBN présentation en ligne), p. 190.
  14. a b et c « La véritable histoire de l'ampoule de Livermore », drgoulu.com, .
  15. Une webcam fournit en permanence des images de l'ampoule : (en) « Livermore's Centennial Light Live Cam », sur www.centennialbulb.org (consulté le 23 mai 2019)
  16. Le film documentaire Prêt à jeter de Cosima Dannoritzer (2010) a popularisé cette thèse en France.
  17. (en) Report on the Supply of electric Lamps, Competition Commission, 4 octobre 1951 [PDF], point 125, page 45 ; point 226 page 80.
  18. Report, page 46.
  19. Report, point 130, pages 47-48.
  20. Science et Vie, avril 2011.
  21. Jean-Luc Goudet, « Ampoules électriques à incandescence : extinction prévue en 2012 », sur Futura, .
  22. 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).

Annexes

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Articles connexes

Liens externes