Les lampes

RIDER 08

Ce que tous nous appelons ampoule est en effet la lampe, l'ampoule n'est que la partie en verre qui l'équipe.

Il existe en fait deux catégories d'ampoules communes : les ampoules néons, ou les ampoules à incandescence (halogènes comprises). Nous parlerons ici des ampoules à incandescence.

Une lampe, c'est simplement un filament métallique, dans une ampoule en verre. Dans cette ampoule, il y a en général un gaz qui ne risque pas de s'enflammer, et cela peut être un gaz halogène, d'où le nom de certaines ampoules.

Lorsque du courant passe dans la lampe, en fait, il traverse le filament, très mince. Ce filament n'est pas le meilleur conducteur de l'électricité qui soit, on dit qu'il présente une certaine résistance au passage du courant électrique. Or si il présente une résistance, il va forcément s'échauffer. C'est ce qu'on appelle l'effet Joule. Le courant électrique, ce sont des électrons. Et dans un matériau qui résiste, les électrons se cognent plus souvent aux atomes, et les font vibrer. Et des atomes qui s'agitent plus, ce sont des atomes plus chaud. Donc le courant électrique chauffe les matériaux résistants.

Mais là, le filament est petit, et il s'échauffe beaucoup, et vite. Il atteint plusieurs milliers de degrés. Et lorsqu'un objet est chaud, il émet de la lumière. C'est ce qu'on appelle le rayonnement thermique. C'est aussi pour cela que les bougies produisent de la lumière, mais là, l'élévation de température est due au fait que la cire brûle.

C'est ainsi que fonctionnent les lampes électriques.

Le rayonnement thermique

La température d'un objet mesure en fait le degré d'agitation des molécules qui le composent. Plus un objet est chaud, plus ses molécules sont agitées de mouvement rapides et désordonnés, c'est ce qu'on appelle l'agitation thermique. On dit qu'un objet est à une température du zéro absolu lorsque ses particules ne bougent plus du tout.

Or la matière est constituée pour beaucoup de particules chargées (protons, électrons dans les atomes). Donc quand elles s'agitent, elles créent des perturbations du champ électro-magnétique, c'est à dire qu'elles émettent de la lumière. Donc tout objet dont la température n'est pas le zéro absolu émet de la lumière en permanence.

La lumière émise par un objet est caractérisée par sa couleur (sa fréquence) et son intensité. Ces deux caractéristiques sont liées à la température de l'objet. Plus il est chaud, plus ses molécules bougent vite et beaucoup, donc

* plus la fréquence de la lumière est grande, c'est à dire que sa couleur va tendre du côté du bleu.
* plus il émet de lumière.

Un objet à température ambiante (mettons 20°C), dont les molécules ne sont pas très très agitées, émet à une fréquence assez basse : ce sont des infra-rouges, que nous ne pouvons pas voir. Mais il existe des caméras qui voient les infra-rouges, et qui les transforment en images sur un écran : on voit alors en brillant les zones les plus chaudes, comme le corps de quelqu'un. C'est comme ça qu'on peut voir dans le noir, puisque même dans l'obscurité complète les objets, même s'ils sont noirs, émettent des infra-rouges.

Mais pour des objets très chauds (on dit incandescents), la lumière émise devient visible. Prenons quelques exemples :

* Le filament d'une lampe émet de la lumière parce qu'il est chauffé par le passage du courant électrique. C'est ce qu'on appelle une lampe à incandescence, et elle émet une lumière assez blanche.
* La surface de la lave en fusion est moins chaude que le filament de l'ampoule. Elle aussi brille, car elle est très chaude, mais elle n'émet que du rouge.
* Les étoiles ont des couleurs différentes, du rouge au bleu, parce qu'elles ont des températures différentes. Les plus chaudes sont bleues ou blanches, alors que les plus "froides" sont rouges. On peut ainsi connaître la température d'un objet très chaud rien qu'en regardant la lumière qu'il émet.
* Cette propriété sert aussi pour le chauffage : les panneaux rayonnants sont des panneaux qui émettent des infra-rouges. On ne les voit pas, mais on les sent bien : lorsque les infra-rouges arrivent jusqu'à vous, ils vous communiquent leur énergie, et ils vous réchauffent. Un radiateur classique réchauffe l'air. Les panneaux rayonnants sont plus efficaces pour vous réchauffer vous, parce que même si vous êtes un peu loin, ils vous envoient des infra-rouges, sans trop réchauffer l'air. Quand vous mettez vos mains près du feu, c'est aussi parce que vous sentez que les infra-rouges vous réchauffent. Ca n'est pas l'air chaud qui arrive jusqu'à vous. L'air chaud, il y en a au dessus du feu surtout. Si vous sentez de la chaleur, ce sont les infra-rouges !

La Lumière

La lumière est une onde électro-magnétique. Je vais éclairer un peu plus votre lanterne à ce propos (ha ha !)...

Nous baignons en permanence dans un champ électro-magnétique, crée par la présence de particules chargées (une particule chargée crée un champ électrique et nous sommes constitués de particules chargées, comme les électrons ou les protons), et par leur déplacement (le courant électrique crée un champ magnétique, comme celui de la terre par exemple, qui oriente les boussoles). Si on crée une petite perturbation de ce champ, par exemple en faisant vibrer des particules chargées, elle se propage : elle ne reste pas sur place, elle se déplace. Perturber le champ électro-magnétique, c'est comme créer des vagues à la surface de l'eau en y jetant un caillou. On crée une petite perturbation qui se propage, c'est à dire des ondes.

Eh bien la lumière est justement une onde électro-magnétique. La lumière est une perturbation du champ électro-magnétique qui se déplace. Cela lui donne la propriété de pouvoir se déplacer dans le vide, parce que même dans le vide, il y a un champ électro-magnétique. Ce n'est pas le cas des autres ondes, qui ont besoin d'un support matériel : le son se déplace dans l'air, les vagues à la surface de l'eau, ou sur une corde. Les perturbations du champ électro-magnétique, dont la lumière, se déplacent à une très très grande vitesse : 300 000 kilomètres par seconde dans le vide ou dans l'air ! En une seconde, la lumière a le temps de faire plus de 7 fois le tour de la terre. Elle met cependant 8 minutes pour faire le trajet soleil-terre.

La lumière interagit beaucoup avec la matière : elle peut être absorbée, réfléchie, déviée ou émise par la matière. Un corps qui paraît noir même quand on l'éclaire absorbe toute la lumière qui lui parvient, il n'en émet aucune, donc il paraît noir. Un miroir réfléchit la lumière : il renvoie votre propre image. Un morceau de verre peut faire dévier la lumière - il fait même parfois apparaître un "arc-en-ciel". Enfin, le filament d'une ampoule émet de la lumière lorsque le courant électrique le traverse.

La lumière visible peut interagir avec les atomes, et plus particulièrement les électrons des atomes ou des molécules. Elle peut leur communiquer de l'énergie, lorsqu'elle arrive sur un atome. Et les atomes peuvent se débarrasser d'un trop plein d'énergie en émettant de la lumière. C'est ce qui explique le fonctionnement des lasers ou encore la fluorescence, la couleur des objets...
Un objet chaud émet aussi de la lumière : en effet ses particules sont agitées et ce mouvement incessant crée des perturbations du champ électro-magnétique. Donc de la lumière. Si on ne la voit pas c'est que c'est souvent de l'infra-rouge. Mais il est important de savoir que tout objet chaud crée de la lumière.

La lumière n'est de plus qu'une espèce d'onde électro-magnétique. Il en existe plein d'autres, et vous les connaissez, mais vous ne savez pas qu'elles sont aussi une perturbation du champ électro-magnétique, c'est à dire une sorte de lumière : ce sont les rayons X, les ondes radio, les rayons Gamma.

Pour finir, il faut savoir que la lumière n'est pas seulement une onde. En fait, elle est composée de particules appellées photons. Chaque photon a une couleur précise. Et chaque photon est un peu plus qu'une particule, puisqu'il se comporte comme une onde. Donc un "troupeau" de photon se comporte comme une onde. Donc la lumière présente toutes les propriétés d'une onde, et notamment les propriétés d'interférence et de diffraction, bien qu'elle soit composée de "particules" - on appelle ça des quanta de lumière.

Les lampes à décharge, dites "Xénon" :

Présentation :

La lampe au xénon est le nom couramment utilisé pour désigner la lampe à décharge. Il ne faut pourtant pas les confondre. Il existe des lampes remplies de xénon et fonctionnant avec un filament classique. Le gaz rare utilisé permet uniquement d'allonger sa durée de vie.

Ne pas confondre :
Il existe sur le marché des lampes à éclairage bleuté comme la Bluelight d'Hella et qu'il ne faut pas
confondre avec la lampe à décharge

En plus de l'avantage esthétique, cette lampe halogène à verre bleuté filtre les rayons rouges du spectre de lumière, ce qui améliore le contraste. Mais sa puissance d'éclairage est loin de celle générée par la lampe à décharge.

Fonctionnement :

Elle est constituée de deux électrodes enfermées dans une ampoule contenant du xénon à haute
pression, des sels métalliques et des halogénures.
Une tension très élevée entre les deux électrodes, de l'ordre de 25 000 volts, crée un arc électrique.
Cette énergie, qui évapore les sels métalliques et les halogénures, génère une lumière.
Cette tension élevée est produite par un ballast de même principe que ceux utilisés pour amorcer
l'allumage d'un tube au néon. Il génère un courant alternatif à 400 Hz sous 20 000 volts, faute de quoi le délai de la création de l’arc électrique à l’allumage passerait de 0,5 à 5 secondes.
Des rayonnements ultraviolets sont créés en même temps que cette lumière. L'ampoule au xénon
est recouverte d'un film réduisant la propagation des ultraviolets. Une fois l'arc électrique amorcé, cette dernière est maintenue par une tension alternative de 85 volts.

Les avantages du xénon :

Quels sont les avantages de la lampe à décharge ?
Elle délivre un flux lumineux plus élevé que l'ampoule halogène pour une consommation électrique plus faible (environ 3 200 lumens pour 35 Watts contre 1 600 lumens pour 55 Watts).
Sa lumière est plus proche de celle du jour et mieux répartie, ce qui améliore son efficacité. C'est
pour cela que sa lumière peut paraître bleue, mais c'est un effet d'optique comparé aux lampes
halogènes (qui donnaient aussi cette impression comparée aux éclairages jaunes utilisés en
France il y a quelques années).
- La durée de vie des phares au xénon est annoncée être équivalente à celle du véhicule. Les
équipementiers annoncent une durée de vie de 900 000 km en moyenne contre au minimum 70
000 km pour une ampoule halogène classique.
- Les dimensions sont réduites : 30 mm de long et 15 mm de large pour les dernières évolutions,
ce qui facilite l'intégration du phare dans le véhicule.
- L'aspect extérieur du phare donne un "look high-tech" au véhicule.

Les principales abréviations
- LAD : Lampe A Décharge
- HID : High-Intensy Discharge headlight
- Litronic : Lampe au xénon