Rudiments sur les émissions lumineuses/Émission par incandescence, principe de la lampe halogène

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Lampe à incandescence

Nous avons vu qu’un corps porté à une température suffisamment élevée peut émettre de la lumière visible. Ce phénomène est appelé incandescence. Nous savons d’autre part que, lorsqu’un fil électrique est parcouru par un courant électrique, sa température s’élève. Nous pouvons alors imaginer un dispositif dans lequel un courant électrique échaufferait un filament à une température suffisamment élevée pour que celui-ci émette une lumière permettant de nous éclairer. Ce dispositif existe et s’appelle lampe à incandescence.

Le filament se trouve à l’intérieur d’une ampoule, en verre ou en quartz, dans laquelle il n’y a pas d’oxygène pour éviter l’oxydation du filament qui aurait pour conséquence de le détruire à une température très inférieure à sa température de fusion. Le milieu ambiant dans l’ampoule est constitué soit par du vide soit par un gaz neutre. L’objectif est d’arriver à élever la température du filament à une valeur suffisamment élevée pour que le rayonnement émis contienne un pourcentage le plus élevé possible de lumière visible.

Nous avons vu, dans le paragraphe précédent, que la température idéale serait de 5 220 Kelvins. Malheureusement, aucun filament ne résisterait à cette température. Les filaments des lampes à incandescence ordinaires sont généralement en tungstène. En effet, le tungstène possède une température de fusion élevée de 3 700 Kelvins.

Dans les lampes à incandescence ordinaires, le filament en tungstène est porté à une température de 2 800 Kelvins. Bien que cette température soit inférieure à la température de fusion, des particules de tungstène s’échappent du filament, ce qui a pour effet de limiter la durée de vie du filament. Pour 2 800 Kelvins, on obtient une durée de vie de 1000 heures environ. Les particules qui s’échappent du filament vont noircir le verre de l’ampoule.

En utilisant la loi de Wien, nous pouvons calculer la longueur d’onde correspondant au maximum d’émission de la lampe à incandescence. Nous obtenons :

$\lambda _{max}={\frac {K}{\theta }}={\frac {2,8978.10^{-3}}{2800}}=1,035.10^{-6}\ m~$

C’est-à-dire 1035 nanomètres.

Nous remarquons que nous sommes en dehors du spectre visible. Nous sommes dans l’infrarouge. Nous aurions pu aussi obtenir cette valeur sur le diagramme sur la loi de Wien du chapitre précédant en considérant la courbe correspondant à 2 800 Kelvins.

Nous voyons que l’abscisse du maximum correspond bien à la valeur calculée.

La partie hachurée correspond à la lumière visible qui nous permet de nous éclairer. Cette partie utile n’est pas très importante. Nous dirons que l’efficacité lumineuse d’une lampe à incandescence est faible (environ 15 lumens par watt, voir cours de photométrie). Nous constatons que le rayonnement d’une lampe à incandescence est principalement constitué d’infrarouge qui n’est pas utile pour notre vision. Nous voyons aussi qu’il y a très peu d’ultraviolet. Il est donc inutile d’essayer de bronzer en s’exposant à la lumière d’une lampe à incandescence.

Nous rappelons, à titre indicatif, les formules permettant de calculer la puissance totale P consommée par la lampe en fonction de la résistance R (en ohms) du filament, de la tension U (en volts) du secteur sur lequel la lampe est branchée, de l’intensité I (en ampères) qui parcourt le filament de la lampe. Nous avons :

$P=U.I\qquad \qquad P=R.I^{2}\qquad \qquad P={\frac {U^{2}}{R}}~$

Lampe halogène

Nous allons maintenant étudier une amélioration de la lampe à incandescence.

Les ingénieurs ont remarqué que lorsqu’ils introduisaient dans l’ampoule de la vapeur d’iode, la lampe à incandescence avait une durée de vie plus longue même si l’on portait la température du filament à une température plus élevée que dans les lampes ordinaires. L’iode faisant partie de la famille chimique des halogènes, la lampe sera alors dite lampe halogène.

Le principe est le suivant :

Sous l’effet de la chaleur, des particules de tungstène s’échappent du filament. Mais au lieu d’aller noircir le verre de l’ampoule, elles réagissent avec les particules d’iode pour former un composé appelé iodure de tungstène. Au bout d’un certain temps, l’iodure de tungstène rencontre le filament. Sous l’effet de l’intense chaleur de celui-ci, l’iodure de tungstène se décompose à nouveau en tungstène, qui restera sur le filament, et en iode, qui repartira dans l’atmosphère de l’ampoule. Le tungstène, ainsi redéposé sur le filament, permet de régénérer celui-ci. Grâce à ce mécanisme, le filament a une durée de vie plus longue ou peu supporter une température plus élevée à durée de vie égale.

Dans les lampes halogènes ordinaires, la température du filament est de l’ordre de 3 200 Kelvins pour une durée de vie de 1 000 heures. Si l’on calcule comme précédemment la longueur d’onde correspondant au maximum d’émission, on obtient :

$\lambda _{max}={\frac {K}{\theta }}={\frac {2,8978.10^{-3}}{3200}}=9,06.10^{-7}\ m~$

C’est-à-dire 906 nanomètres.

Nous voyons que nous nous sommes rapprochés de la plage de lumière visible qui va de 400 nm à 750 nm. Le pourcentage de lumière visible sera plus important comme nous pouvons le constater sur la courbe correspondant à la température 3 200 Kelvins du diagramme sur la loi de Wien :

L’efficacité lumineuse d’une lampe halogène est donc supérieure à l’efficacité lumineuse d’une simple lampe à incandescence (environ 20 lumens par watt, voir cours de photométrie).

La température d’une lampe halogène étant plus élevée, le verre de l’ampoule est remplacé par du quartz.