Définition de la lumière
Il y a 2 théories pour décrire la lumière :
• Théorie ondulatoire (les ondes qui vibrent)
• Théorie corpusculaire (les photons)
Une onde a une couleur définie par sa longueur d’onde.
L’homme ne voit qu’une partie du domaine spectral (du violet au rouge).
« Lire, c’est vivre en peine lumière » M. Saint Denis
Le principe de la vision
La suite des éléments nécessaires pour que l’homme voit un objet : une source de lumière + un objet + l’œil + le cerveau
Œil
Luminosité (bâtonnets) Couleur (cônes)
Résolution
Photorécepteur
Cerveau
Assemblage couleurs Construction du relief Perception mouvements
Traitement d’image Objet
Absorption Réflectivité Forme
Filtre Source de lumière
Puissance émise Spectre (blanc)
Illuminant
Les caractérisations d’une lumière
Le flux de lumière : si on compare la lumière à de l’eau qui sort d’un arrosoir, c’est le débit d’eau qui coule.
L’unité de flux est le Lumen (lm).
L’intensité de la lumière c’est le débit d’eau qui sort dans une direction (dans un cône).
L’unité de l’intensité est le Candela (Cd).
Flux dans une direction
θ
Flux Débit
[W]
consommée Puissance
[lm]
perçue lumineuse
Puissance lumineux
Rendement =
(lm/W)
Rendement lumineux =
La lumière à travers les âges
-350 000
Torche
Lampe à pétrole Lampes électriques
0
Lampe à huile
-15 000 -3000
Chandelle
Lampe à gaz
2000
LED
Soleil
Eclairage à combustion
Lampe à huile
Lampe à pétrole Lampe à gaz
La lumière par la combustion
Chandelle
-350 000 -15 000 -3 000 0 1800
Bougie
1500
Soleil
Eclairage à combustion
Torche
•
l’Etoile du système solaire, âgée de 4,5 milliards d’années ;
•
Eclaire les Planètes dont la Terre à 150 10
6Km (8 minutes 20 s de durée de parcourt) ;
•
Constitué d’hydrogène qui explose par fusion nucléaire (H
2en He, 10
9bombes nucléaires)
•
Température de la surface du soleil = 2 10
6°C, émission de lumière ;
•
Dans 10 milliards d’années le Soleil deviendra une Géante Rouge qui brûlera la Terre.
Le soleil : source de lumière pour la Terre
Spectre solaire
« Que d’hommes se pressent vers la lumière non pas pour mieux voir
mais pour mieux briller » Nietzsche
La nuit, la Lune « s’allume » en réfléchissant les rayons du soleil vers la Terre.
Eclairage indirect de la Terre par le Soleil
Luminance du Soleil = 1,6 x10
9Cd/m
2Luminance de la Lune = 3 x10
3Cd/m
2Vidéo aurores polaires Les aurores polaires (boréales et australes) s’allument sous l’effet du flux de particules solaires ionisées qui traversent la magnétosphère en suivant des lignes de champ.
« La preuve que la lune est habitée,
c’est qu’il y a de la lumière » F. Blanche
•
Au début, le feu vient des éclairs ou des volcans qui brulent la végétation.
Le feu naturel comme éclairage
•
L’homme s’empare de branches enflammées et alimente continuellement ce feu pour s’éclairer.
« Fiat lux ! »
Mais le feu naturel ne suffit plus…
L’homme perçoit qu’il dort environ 8 heures par nuit.
L’homme constate qu’une nuit d’hiver dure jusqu’à 14 heures.
L’homme comprend qu’il lui faut de
l’éclairage pour bénéficier des 6 heures de nuit pour être plus productif…
Autres avantages de l’éclairage par le feu : - sécurité
- chaleur
- cuisson
L’homme maîtrise le feu
Habitants des Vanuatu
•
L’homme sait allumer du feu à partir du Paléolithique (-350 000 ans).
•
Il utilise des torches en bois puis imprégnées de résine ou de graisse.
Luminosité faible et peu coûteuse,
forte émission de carbone et de chaleur.
Vidéo « La guerre du feu »
de Jean-Jacques Anneau « Tous les hommes aiment avant tout la lumière,
ils ont inventé le feu » G. Apollinaire
La lampe à huile
Lampe à huile en terre cuite
- 15 000 ans, lampe de pierre en cuvette avec graisse animale et mèche en tresse végétale (Néolithique pour l’art des cavernes).
Brûloir de Lascaux en grès rose
Puis, lampe en terre cuite avec huile végétale (Antiquité, Moyen-Age).
Lampe du XVIII
èmesiècle à l’huile de baleine.
Enfin, lampe métallique avec graisse de baleine.
Rendement faible, intensité faible, lumière chaude et émission de carbone.
La chandelle puis la bougie
-3 000 ans : chandelle au suif (mélange de cire et graisse bœuf ou mouton) ; XVI
èmbougie en cire (cierge), XIX
èmoptimisation de la cire ;
Les bougies peuvent être assemblées sur des bougeoirs ; Rendement faible, lumière chaude, émission de carbone.
« L’expérience est une lumière qui n’éclaire que soi » Lao-Tseu
La lampe à pétrole
1800 : lampe métallique à pétrole distillé (pétrole lampant) ;
1850 : lampe améliorée avec une mèche en coton et un tube en verre ; Réglage de l’intensité par la hauteur de la mèche ;
Pour l’extérieur : la lampe tempête ;
Rendement moyen, lumière chaude, émission carbone.
La lampe à gaz
1800 : combustion d’un gaz par un brûleur perforé réglable en intensité ; Premier système d’éclairage individuel à alimentation collective ;
Début XIX
ème: réverbère utilisé massivement pour l’éclairage public.
Rendement faible, lumière chaude, émission de carbone et d’eau.
« La civilisation nous donne des lumières plutôt que des vertus » H. Becque
La lumière à travers les âges
-350 000
Torche
Lampe à pétrole
0
Lampe à huile
-15 000 -3000
Chandelle
Lampe à gaz Lampes électriques
2000
LED
Soleil
Eclairage à combustion
La lumière avec alimentation électrique
Tube fluorescent
1970
Ampoule à filament
1900
Ampoule à halogène
1960
Soleil
20% de l’électricité est transformé en lumière
2010
LED
1980
Ampoule à vapeur de Mercure ou Sodium
Transport d’électricité
Le réseau pour l’éclairage électrique
Production d’énergie
Dans les années 1930, arrivée de la « fée électricité ».
L’éclairage électrique nécessite un réseau de la production aux particuliers.
Circuit privé Lampe
Douille Ampoule Abat jour Tableau électrique
Fils électrique Interrupteur Nucléaire
Thermique Barrage
Eo / hydrolienne Photovoltaïque
Très haute tension
Haute tension
Moyenne tension
Basse tension
Les couleurs sont des zones du spectre visible représentées sur un triangle selon des
coordonnées (CIE 1931)
Le blanc est la somme d’au moins 3 couleurs :
rouge, vert, bleu
La représentation des couleurs
∞
La température de couleur
représente la coloration du ‘’blanc’’
• Un blanc un peu jaune a une température basse (< 3000 K)
• Un blanc un peu bleu a une
température élevée (> 4000 K)
La lampe à incandescence à filament
Faible rendement 10 Lumen/Watt (< 20 %), durée de vie : 1 500 heures.
Lumière chaude = température de couleur basse
Inventé en 1878 en Angleterre puis optimisée par T. Edison
Lampe à filament dans une ampoule fermée contenant un filament de Tungstène et du gaz neutre (Azote puis Argon, Krypton)
Le passage du courant électrique échauffe le filament à 2 500 °C par effet Joule.
Cet échauffement génère un rayonnement de lumière visible.
Lampe à filament Tungstène et ampoule de quartz contenant du gaz de la famille des halogènes (Iode et Brome)
Le passage du courant électrique échauffe le filament à 2 900 °C
Cet échauffement génère un rayonnement intense de lumière visible.
La lampe à incandescence à halogène
Rendement 30 Lumen/Watt, durée de vie 4 000 heures, forte consommation.
« Le courage est la lumière de l’adversité » Vauvenargues
Le tube fluorescent
Inventé vers 1930, électrodes + des gaz rares (Néon) + luminophores :
• Tube de verre avec des contacts électriques ;
• L’intérieur du tube est recouvert d’une poudre de luminophores R, V et B ;
• Le tube contient des gaz rares (Xénon + Néon) et un peu de Mercure ;
• Sous haute tension (300 V), le gaz s’ionise et émet des UV ;
• Les UV viennent exciter les luminophores qui émettent de la lumière visible.
Luminophores
Décharge gazeuse Tube en verre
Electrode
Emission de lumière
Emission d’UV
La lampe fluorescente
Durée d’allumage assez longue, ensuite stabilisation ;
Effet de papillotement sauf si 2 tubes sont en opposition de phase ; En 2 000 : développement de lampe fluo-compacte ;
Rendement 80 Lumen/Watt, durée de vie 20 000 heures ;
La température de couleur est ajustée par la concentration respective de luminophores R, V et B.
« Des mots rayonnants, des mots de lumière, avec un rythme
et une musique, voilà ce qu’est la poésie » T. Gautier
Arc électrique entre deux électrodes proches ;
Ampoule contenant des halogènes (Chlore, Iode, Brome) et un peu de Mercure ou de Sodium (émission orange à 590 nm) ;
Lampes à décharge de gaz (Mercure, Sodium)
Source : http://www.astro.ulg.ac.be/~demoulin/pollum/lampes.htm
Utilisé pour l’éclairage public ;
Allumage très long, durée de vie 20 000 heures ;
Rendement vapeur de Hg = 40 Lumen/Watt et Na = 150 Lumen/Watt.
Acronyme : Light Emitting Diode (DEL : Diode Electro-Luminescente)
Les diodes électroluminescentes - LED
Shuji Nakamura
07 Octobre 2014 : prix Nobel de physique à Nakamura, Akasaki et Amano pour leur travaux sur les LED bleues !
Dans les années 1990, ils ont fabriqué le premier semi-conducteur qui émet une lumière bleu (le rouge et le vert existent depuis 40 ans).
Conséquences : p otentiel de LED blanche (R V B ou B J) et laser bleu pour DVD blu-ray
(densité de données multipliées par 4).
Technologies de LED blanches
1) Emission simultanée de 3 LED : R + V + B
La gestion du blanc avec des LED
2) 1 seule LED + mélange de luminophores
• 1 LED de grande surface émet des UV
• Les luminophores sont excités par les UV
• En se désexcitant, les luminophores émettent du R,V et B
•
Composant électronique tout solide à semi-conducteur de qq mm;
•
Courant continu (20 mA) et faible tension (qq 10 volts) ;
•
