Les lampes à incandescence
Présentation générale
Une « lampe à incandescence » est une source lumineuse équipée d’un filament conducteur. Lorsque la lampe est sous tension, le filament est parcouru par un courant électrique qui le porte à très haute température. Le filament et émet de la lumière par incandescence, selon le même principe que le fer forgé. Une lampe à incandescence est constituée, d’une manière générale :
Historique
Dès le début du 19ème siècle, Humphry Davy observe une lueur produite par l'échauffement d'un fil de platine soumis au passage d'un courant électrique. Il est très tôt envisagé d’émettre de la lumière en portant un matériau à incandescence. Celui-ci doit être isolé de l’air ambiant afin d’éviter que le combustible ne brûle instantanément.
Au milieu du 19ème siècle, les ingénieurs de l’époque se heurtent à la problématique du pompage de l’air ambiant. De nombreux essais sont effectués en laboratoires, mais le vide créé est à chaque fois insuffisant. De nombreux scientifiques, dont Joseph Swan et Thomas Alvar Edison, se penchent sur la question. En 1848, l'anglais Joseph Swan emploie des filaments de papier carbonisé branchés dans une ampoule en verre pour ses premières expériences. En 1877, Edison parvient à illuminer des bandes de papier carbonisé sur une durée de 8 minutes, au sein d’une ampoule en verre. On y fait le vide à l'aide d'une pompe à main. En 1878, Edison effectue des recherches sur le carbone et celui-ci est substitué aux bandes de papier carbonisé. La lampe durait entre une et deux heures. Après de nombreux essais, Edison parvient à carboniser du coton (transformation d’une substance organique en charbon). Celui-ci est trempé dans l'acide sulfurique avant d’être carbonisé sous atmosphère contrôlée. C’est ainsi que le 19 octobre 1879, Thomas Alvar Edison réussit des épreuves concluantes de la lampe à incandescence. Elle dure 45 heures et aura coûté 40000 dollars. Dans une ampoule en verre presque parfait, il avait appliqué un courant électrique à un fil de coton à coudre. Il remplace rapidement le coton par de la fibre de bambou. Son invention est présentée à l'exposition Universelle de l'électricité de 1881. C'est à cette occasion qu'apparait la « lampe Edison » en Europe. Elle marque le début de l'éclairage électrique. En 1885, 176 000 lampes Edison sont en service en France.
Durant les deux dernières décennies du 19ème siècle, divers raffinements plus ou moins complexes sont apportés au filament de la lampe. En 1904, des lampes à filament de tungstène sont conçues en laboratoire. Celles-ci émettent une lumière plus intense. Les premières lampes à filament de tungstène sont commercialisées en 1906. Le filament de tungstène présente toutefois l’inconvénient d’être fragile. En 1910, les travaux de purification du tungstène de William David Coolidge, ingénieur de GENERAL ELECTRIC, permettent d’obtenir du « tungstène ductile ». Celui-ci permet de réaliser des filaments plus flexibles. C’est à partir de ce moment-là qu’il a été possible de façonner le filament afin d’obtenir plus de longueur de fil à illuminer. Cette technique est mise en œuvre dans la lampe « mono-watt », contenant un filament mis en forme d’hélice (certaines lampes contemporaines « vintage » reprennent ce design de filament). Par la suite, le filament est spiralé, puis doublement spiralé, puis triplement spiralé.
Durant les années 1910, la technologie est améliorée par l’introduction de gaz nobles dans l’atmosphère de la lampe. La présence d’un gaz neutre permet d’augmenter la pression à l’intérieur de la lampe et de freiner les phénomènes de lente évaporation du filament. À partir de 1913, de l’azote est introduit à l'intérieur de la lampe. Celui-ci est remplacé par de l’argon en 1918. Cette technique permet d’allonger la durée de vie des lampes et de limiter le dépôt de tungstène évaporé sur la paroi de l'ampoule. La durée de vie moyenne des lampes à incandescence passe ainsi à plus de 1000 heures contre 400 pour celles de la fin du 19ème siècle.
En 1959, Edward George Zubler et Frederick Mosby, ingénieurs de GENERAL ELECTRIC, mettent au point la lampe à incandescence halogène. La présence d’éléments halogènes permet de produire une réaction chimique amenant les atomes de tungstène vaporisés à se redéposer sur le filament, produisant un phénomène de « régénération » de celui-ci. L’idée datait de 1894. Cette technique permet de concevoir des lampes à incandescence avec une plus longue durée de vie et au sein desquelles le filament est chauffé à une température encore plus élevée, permettant de produire une lumière toujours plus intense.
Comparé aux lampes à décharge qui se sont généralisées pour l’éclairage public après la Seconde Guerre Mondiale, le rendement lumineux d’une lampe à incandescence est très bas et sa durée de vie très courte. Cependant, du fait de sa simplicité d'utilisation et de sa faculté à produire une lumière agréable, elle est restée la quasi seule source lumineuse utilisée pour l'éclairage des habitations tout au long du 20ème siècle. L’apparition de technologies moins énergivores au début du 21ème siècle, telles que la lampe fluocompacte puis la lampe à LED, marque le début de son déclin. À partir du milieu des années 2000, elle est progressivement interdite à la vente dans de nombreux pays, Union Européenne comprise.
Principe général de fonctionnement
Incandescence et triangle du feu
Le phénomène physique à l’origine de l’incandescence est décrit dans la section « Lumière » de ce site web. On peut résumer l’incandescence à ceci : « le fait de porter un matériau à haute température rend celui-ci lumineux ». Plus la température du matériau est élevée, plus la lumière émise est intense. C’est le principe du fer forgé. Ce phénomène est observable dans de nombreuses situations de la vie courante : lumière émise par les braises d’un barbecue, par les éléments chauffants d’un appareil de cuisine (grille-pain, appareil pour raclette…), de chauffage et bien entendu… par une lampe à incandescence.
Le phénomène de l’incandescence était connu depuis longtemps. La principal problème auquel se heurtent les inventeurs de l’époque était la combustion du matériau. Il était à l’époque impossible de porter un filament très fin à très haute température sans que celui-ci ne brûle instantanément. Dans l'air, le fait de faire passer un courant électrique dans le filament brise immédiatement celui-ci.
Pour comprendre le concept de la lampe à incandescence, il faut étudier principe de la combustion. On parle de triangle de feu. D’une manière générale, la combustion peut être réalisée si et seulement si on réunit trois éléments:
La nécessité de disposer des deux premiers éléments est intuitive. Sans combustible pour l’alimenter, tel qu’un papier journal, du bois, du coton (mèche d’une bougie), le feu ne peut exister, celui-ci ne brûlant jamais du vide. Sans énergie d’activation, tel qu’une étincelle produite par une allumette, de la chaleur produite par le soleil ou une autre flamme comme celle d’un briquet, le feu ne peut exister, celui-ci ne s’allumant jamais seul.
La présence d’un comburant est également nécessaire pour permettre au feu d’exister. En général, il s’agit de l’air ambiant, en particulier un de ses constituants, le dioxygène. Cela s’explique dans la mesure où le feu est issu d’une réaction chimique entre un matériau combustible et un matériau comburant, qui nécessite un apport d'énergie pour se produire. Cette dernière est souvent appelée « énergie d’activation », car c’est avec elle qu’un matériau prend feu. Il peut s'agir de chaleur (une autre flamme), d'un rayonnement (par exemple celui du soleil) ou encore un courant électrique. Cette réaction chimique provoque l’émission d’un gaz à très haute température, lequel émet ainsi de la lumière, par incandescence, ce que nos yeux voient comme une flamme, comme « du feu ». Supprimer le combustible ou le comburant signifie rendre impossible une réaction chimique, donc la présence de feu.
Au 19ème siècle, des inventeurs tels que Swan et Edison ont cherché un moyen de porter un filament de matériau très fin à haute température afin de le rendre lumineux, sans que celui-ci ne prenne feu. Ils cherchèrent pour cela à supprimer un des trois éléments du triangle du feu :
Dans l'air, le comburant est le dioxygène. Le principe de la lampe à incandescence consistait donc à placer le filament dans un milieu totalement vidé de l’air ambiant. L’opération fut effectuée par Edison à l’aide d’une pompe à vide. C'est ainsi que le 19 octobre 1879, Edison présenta sa première lampe à incandescence.
Constitution du filament
Pour émettre un maximum de lumière, le filament d’une lampe à incandescence doit être long et doit être fin.
Depuis 1906, les filaments des lampes à incandescence sont en tungstène. L’intérêt de ce matériau est qu'il s'agit du métal qui a la plus haute température de fusion (3695°K soit 3422°C) et de sublimation (5828 K soit 5555°C). Les filaments de tungstène sont ainsi ceux que l’on peut porter à la plus haute température sans qu’ils ne se brisent. La température peut atteindre +2500°C pour une lampe d'usage courant. Dans le cas des lampes halogènes cette valeur peut atteindre +2900°C. On peut se rendre compte de l'influence de la température en manipulant le variateur d'une lampe à incandescence : en position minimale, la lumière est jaune-orangée, la lumière devient de plus en plus blanche au fur et à mesure qu’on élève le variateur.
Sublimation du filament
Bien que le vide créé lors de la fabrication de la lampe permette d’éviter la combustion du filament, il ne peut empêcher totalement les phénomènes d’évaporation du matériau. Lorsque le filament est porté à haute température, le tungstène s’évapore très légèrement. L’évaporation est d’autant plus importante que le filament est chaud. Ce phénomène est le principal responsable de la durée de vie limitée d’une lampe à incandescence dans le temps (généralement à 1000 heures de fonctionnement). Le filament s’amincit au cours de la vie de la lampe, jusqu’à la rupture de celui-ci. Il est également responsable du noircissement de l’ampoule, du aux vapeurs de tungstène qui se déposent sur la paroi.
Bien qu’il soit impossible d’empêcher totalement l’évaporation du filament, deux améliorations techniques notables ont permis de limiter le phénomène d’évaporation. La première, mise au point dans les années 1910, fut l’introduction de gaz nobles à l’intérieur de la lampe. La seconde, mise au point en 1959, passât par l’introduction d’éléments halogènes dans le gaz de remplissage.
Rupture du filament d'une lampe à incandescence à l'allumage
Comme tous les matériaux, le tungstène a une résistance plus faible à froid qu'à chaud. Cela se traduit par une surintensité lors de la mise sous tension de la lampe. Ainsi, une lampe à incandescence se dégrade d'autant plus vite que les cycles d'extinction puis d'allumage sont nombreux. C'est souvent durant la phase d'allumage où l'intensité peut atteindre 10 fois sa valeur en régime établi que le filament d'une lampe à incandescence se rompt. L'allumage progressif d'une lampe, en utilisant un variateur, permet de réduire la surintensité du courant qui circule dans le filament à l'allumage et d'allonger la durée de vie de la lampe.
Introduction d'un gaz noble
Un gaz noble est un élément qui a la particularité d’être peu doué de réactions chimiques avec d’autres éléments. Il est parfois appelé « gaz neutre » ou « gaz rare ». Le gaz noble ajouté dans les lampes à incandescence contemporaines est en général de l’argon ou de krypton. Sa présence a l’avantage d’augmenter la pression à l’intérieur de la lampe, et de jouer un rôle de « barrière » entre le filament et la paroi de l’ampoule. Lorsque le tungstène du filament se vaporise, des atomes de tungstène « heurtent » parfois ceux de gaz noble. Les atomes de tungstène se retrouvent ainsi freinés dans leur chemin vers la paroi de la lampe. Certains peuvent même être redirigés vers le filament. L’évaporation est d’autant plus ralentie que le gaz noble introduit est lourd. Le gaz le plus efficace est le xénon mais c'est aussi le plus cher. Il n'est utilisé que dans quelques lampes spécialisées, notamment de petite dimension. Le gaz utilisé est généralement l'argon, bon marché, ou bien le krypton pour les lampes de gammes supérieures.
Introduction d'un gaz halogène
Le gaz halogène ajouté dans les « lampes à incandescence halogènes » est en général un amalgame principalement constitué de brome. Les molécules dihalogènes ont la faculté d’entrer facilement en réaction chimique avec les atomes de tungstène. Le cycle chimique qui se produits est le suivant :
L’avantage de ce cycle est double. D’une part, les affinités entre les atomes de tungstène et les éléments halogènes empêchent des atomes de tungstène isolés de se déposer sur les paroi de l’ampoule (et de réagir avec les atomes de celle-ci). Cela empêche ainsi le phénomène de noircissement de l’ampoule. Cela a notamment permis de concevoir des lampes à filament avec des ampoules à bien plus faible dimension. D’autre part, les dissociations des halogénures de tungstène permettent un redépot du tungstène sur le filament, créant un phénomène de « régénération de celui-ci ». Le cycle n'allonge toutefois pas indéfiniment la durée de vie de la lampe car le tungstène qui a quitté le filament ne revient pas exactement au même endroit.
Choix du brome en tant qu'élément halogène
La température nécessaire pour obtenir une dissociation de l’halogénure de tungstène croît selon que l’élément halogène utilisé soit successivement l’iode, le brome, le chlore et le fluor. Dans le même temps, la réactivité chimique avec d’autres éléments augmente. L’iode est ainsi le premier halogène employé, mais son cycle nécessitait la présente d’une petite quantité d’oxygène. Le dosage à appliquer rendait la fabrication des lampes délicates. L’halogène le plus utilisé est donc le brome, sous forme de bromure de méthyle (CH3Br) ou de bromure de méthylène (CH2Br2).