Un filament métallique parcouru par un courant électrique est porté à haute température. Il devient alors incandescent et émet de la lumière.
L'ampoule est constituée de verre ou de quartz (ce qui permet d'augmenter la température et donc de déplacer le spectre vers les faibles longueurs d'onde).
ECLAIRAGE ARTIFICIEL
I) LAMPES A INCANDESCENCE ET LAMPES HALOGENES :
A L'ORIGINE : on utilisait du carbone et dans l'ampoule on faisait le vide. La t° du filament : 1800°C, l'efficacité lumineuse : 3 lm/W, la durée de vie : 1000 h.
AUJOURD'HUI : le filament est en tungstène dans un mélange d'argon (Ar) et d'azote (N2) à une pression de 0,5atm (1atm=105 Pa) à froid. Température du filament : 2400 à 2600°C. En remplaçant l'argon par du krypton (Kr), le filament peut fonctionner à une plus haute température, d'où une lumière plus blanche.
lampes durée puissance électrique flux lumineux Φ efficacité lumineuse standard 1000 heures 40 à 1000 W 430 à 18800 lumens 10,75 à 18,8 lm/W au krypton 1000 heures 40 à 60 W 410 à 700 lumens 10,25 à 11,66 lm/W à l'argon (bellaluxsoft) 1000 heures 40 à 100 W 410 à 1300 lumens 10,25 à 13 lm/W
à réflecteur 1000 heures 60 à 100 W 530 à 1080 lumens 8,8 à 10,8 lm/W En ajoutant à l'argon un halogène (iode (I) , brome (Br), fluor (F)...) ou un composé organique halogéné, on peut améliorer les performances et durée de vie de la lampe en évitant l'évaporation du filament et par conséquent le noircissement de l'ampoule. Cependant, la lampe chauffe beaucoup.
Le cycle halogène :
En dehors des sources naturelles de rayonnements, telles que les étoiles, on peut
distinguer 4 types de sources de rayonnements artificiels : - les lampes à incandescence et lampes halogènes
- les lampes fluocompactes et tubes fluorescents
- les lampes à décharge dans les gaz sous basse pression et sous haute pression - les lasers
a) b) c) d)
a) A une température élevée, le tungstène s'évapore du filament sous forme d'atomes et se dirige vers les parois moins chaudes (300 à 600°C) de l'ampoule.
b) ceux-ci se combinent alors avec les atomes d'halogènes présents dans l'atmosphère devenue active de la lampe pour former une molécule.
c) cette dernière, plus lourde, est entraînée par convection et retourne sur le filament.
d) Sous la chaleur du filament (3300°C), la molécule se dissocie en atomes de tungstène qui se fixent à nouveau sur le filament. ... et le cycle recommence...
LAMPES HALOGENES
durée puissance électrique flux lumineux Φ efficacité lumineuse
1000 à 2000 heures 60 à 250 W 840 à 4200 lumens 14 à 16,8 lm/W
lampe halogène :
II) LAMPES FLUOCOMPACTES ET TUBES FLUORESCENTS :
2) Les tubes fluorescents :
Ces tubes n'ont pas de filament, mais deux électrodes. Dans le tube il y a un gaz (argon et vapeur de mercure) à très faible pression. Lorsque les électrodes sont soumis à une tension électrique, une décharge se produit dans le gaz et il y a alors émission de rayonnements UV. Ces rayonnements excitent le revêtement fluorescent interne du tube qui produit de la lumière visible. (principe de la fluorescence)
durée puissance électrique flux lumineux Φ efficacité lumineuse
9000 à 11000 heures 15 à 58 W 650 à 3750 lumens 43,3 à 64,6 lm/W
1) Lampe fluocompacte ou lampe fluorescente :
- longévité jusqu'à 10000 heures - efficacité lumineuse : 88 lm/W
III) LAMPES A DECHARGE :
Dans ces lampes, on ionise un gaz en provoquant une décharge électrique entre deux électrodes. L’énergie des atomes du gaz augmente et ces atomes sont alors dans un état excité mais instable. Ils ne tardent pas, ensuite, à revenir à un état stable en perdant de l’énergie sous forme de lumière. (= absorption puis émission)
a) basse pression : spectres de raies.
lampes spectrales à vapeurs métalliques (mercure, sodium, zinc, cadmium...) lampes à vapeur de gaz rares (néon, argon, krypton).
b) haute pression :
bande spectrale continue importante (comme pour les lampes à incandescence) surmontée par un grand nombre de raies.
Lorsque la pression du gaz dans la lampe est élevée et l'intensité du courant suffisamment grande (régime d'arc), le rayonnement émis par les atomes et les molécules est très intense.
ex : lampe au mercure, lampe au xénon très utilisées car elles fournissent un spectre voisin de celui du soleil.
( → réalisation des simulateurs solaires).
35 W à 150 W 2400 à 12500 lumens
efficacité : 68,5 à 83,3 lm/W
IV) LE LASER :
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Principe du laser :
ex : laser au rubis :
Le pompage consiste à exciter des électrons d'un milieu liquide, solide ou gazeux : chaque atome du milieu est alors dans un état excité correspondant à un niveau d’énergie élevé. Ces états étant instables, il y a déclenchement de l'émission de photons qui a leur tour excite de nouveau les électrons du milieu (émission stimulée) : on a alors une émission de photons en cascade. Enfin, on accumule ce rayonnement entre deux surfaces réfléchissantes avant de le relâcher sous forme de rayon. Tous les photons sont en phase entre eux : c'est une lumière cohérente spatialement et temporellement (contrairement à une lampe classique) : les photons émis ont tous la même longueur d’onde, la même direction
La lumière est pratiquement monochromatique, le faisceau est faiblement divergent et l'énergie est concentrée dans un très petit volume (dangereux et puissant),.
(si on considère l’aspect corpusculaire de la lumière, un photon est un petit « grain de lumière » transportant de l’énergie)
Les différents types de lasers selon la nature du milieu actif :
type de laser puissance utilisation
laser Hélium-Néon de lycée 0,5 à 1mW expériences simples d'optique diode laser As-Ga (arséniure de
gallium) 1 à 3mW lecteurs de code-barre, de CD,
télécommunication (fibres optiques) laser de type YAG (cristal d'yttrium et
l'aluminium) de l'ordre de 500W sous forme
d'impulsions de fréquence 1kHz micro-usinage laser à gaz CO2 en continu
(pompage continu) 100W à plusieurs kW découpes d'étoffes, micro-usinage, chirurgie (couper et cautériser des tissus organiques)…
lasers impulsionnels (azote, CO2) (pompage par flashage)
puissances crêtes pouvant atteindre 1MW pendant des durées de l'ordre de 10 ns, ou des puissances bien plus grandes encore lors d'impulsions très
brèves de durée voisine de 10-15 s
recherche, laboratoires (étude des mécanismes de réactions chimiques...)
Les rayons lasers permettent de focaliser une forte puissance rayonnante sur une petite surface.
Ils sont ainsi utilisés pour chauffer, fusionner ou vaporiser la matière : découpe de matières textiles, métaux au laser.
On les emploie dans l’industrie pour percer les matières les plus dures, comme le diamant.
Dans les bâtiments et les travaux publics, les rayons lasers servent à vérifier l’alignement des structures.
Ils permettent aussi de mesurer des distances afin de déterminer la vitesse de véhicule par exemple.
Technologie militaire : des systèmes de guidage à laser ont été développés pour les missiles, les avions et les satellites.
En art : photographie de phénomènes très brefs. Eclairages de concerts, spectacles son et lumière…
On utilise aussi les rayons lasers pour nettoyer la façade de certains monuments historiques.
En informatique : lecteur, graveur : laser pour « lire », « écrire » , « effacer » des CD ou DVD.
