Ampoule électrique

Présentation de l'ampoule électrique

La lumière émise par des ampoules électriques classiques (plus correctement nommées « ampoules à incandescence ») est en fait une forme de rayonnement thermique : lorsqu'un métal est chauffé, il arrive à un point où sa température fait qu'il émet une lueur. Cette forme de rayonnement thermique atteint un point où il rayonne dans la plage lumineuse visible du spectre de radiation électromagnétique (le terme « rayonnement thermique » est traditionnellement utilisé pour décrire les parties non-visibles du spectre, comme les rayons infrarouges). La brillance produite par la chaleur est appelée « incandescence », un mot qui vient du latin « incandescere » signifiant « briller blanc ».

À l'intérieur d'une ampoule électrique en verre, un fin filament métallique est soumis à une température suffisamment élevée pour produire une incandescence en y faisant circuler un courant électrique. L'ampoule en verre est soit remplie de gaz inerte soit vidée de son air pour faire le vide et empêcher le filament de réagir en présence de l'oxygène de l'atmosphère et de s'oxyder. On peut faire circuler le courant dans le filament interne par des fils introduits dans la base de l'ampoule et scellés pendant la fabrication. La base fragile de l'ampoule est généralement placée dans une gaine métallique en forme de coupe avec une fixation par baïonnette ou par vis ; elle contient les bornes électriques externes de l'ampoule.

La fabrication des ampoules électriques à incandescence est peu coûteuse et ces ampoules fonctionnent avec le courant alternatif et direct ; elles existent dans une énorme gamme de dimensions, formes, puissances et couleurs. Leur tension va de 1,5 V à 300 V et elles sont aujourd'hui si répandues qu'il est difficile d'imaginer la vie avant leur invention. Pourtant, pendant une grande partie de l'histoire de l'humanité, des moyens bien moins efficaces d'éclairage tels que des bougies ou des lampes à flamme sont restées les seules sources d'éclairage artificiel pendant plusieurs millénaires (voir ci-dessous une histoire plus approfondie de l'ampoule électrique).

Malgré leur utilisation répandue dans le monde, les ampoules à incandescence sont beaucoup moins efficaces que la nouvelle génération de technologie d'éclairage : les ampoules fluorescentes compactes par exemple ont une efficacité lumineuse de 60 lumens par watt (lm/W) alors qu'une ampoule à incandescence moyenne ne peut atteindre que 16 lm/W. Sur l'énergie que consomment les ampoules à incandescence, moins de 5 pour cent sont convertis en lumière visible. Le reste est tout simplement perdu sous forme de chaleur, mais ce rayonnement infrarouge est exploité dans des applications telles que les couveuses pour volailles et dans certains systèmes industriels de chauffage et de séchage.

Leur vie utile est d'environ 1 000 heures, ce qui est beaucoup moins que les formes d'éclairage plus récentes et moins gourmandes en énergie comme les LED, les CCFL (lampes fluorescentes à cathode froide) et les CFL (lampes fluorescentes compactes) qui durent jusqu'à 100 000 heures. Ces dernières convertissent en lumière quatre à six fois plus d'énergie consommée par rapport aux ampoules à incandescence.

Progressivement et lentement, cette technologie d'éclairage plus récente et plus efficace remplace les ampoules à incandescence sur le terrain. Les États-Unis et l'Union européenne, ainsi que d'autres territoires, éliminent progressivement l'utilisation des ampoules à incandescence pour les remplacer par des modèles qui consomment moins d'énergie.

 

L'histoire de l'ampoule électrique

De nombreux inventeurs et scientifiques au XIXe siècle ont fait des expériences avec différentes formes d'ampoules électriques à incandescence, mais les noms le plus souvent associés à son invention sont ceux du scientifique britannique Joseph Swan, dont la maison est devenue la première au monde à être éclairée par son invention en 1880, et Thomas Edison, l'inventeur et entrepreneur américain qui a produit la première ampoule électrique commercialement viable avec un filament de bambou carbonisé en 1879.

Avant Swann et Edison, les ampoules électriques n'émettaient qu'une très faible lumière et duraient peu - deux défauts qui les rendaient commercialement non viables. Swann et Edison ont considérablement allongé la vie utile du filament à incandescence en vidant l'ampoule au moyen d'une pompe à vide et en la fermant. Ainsi, pendant l'incandescence à haute température, le filament ne risquait plus de s'oxyder et de se désintégrer. Alors qu'en 1899 l'ampoule d'Edison durait seulement 13,5 heures, l'année suivante il avait déjà tellement amélioré le modèle que sa nouvelle invention durait 1200 heures. L'ampoule électrique a été rapidement commercialisée à une échelle sans précédent car les foyers et les locaux commerciaux étaient de plus en plus nombreux à souhaiter s'éclairer à l'électricité.

En 1880, un autre inventeur américain, Hiram Maxim (qui est ensuite parti s'installer en Angleterre), a prolongé la vie utile de l'ampoule électrique en revêtant ses filaments carbone d'hydrocarbures.

La première ampoule à filament métallique commercialement viable a été inventée en 1889 par le scientifique autrichien Carl Auer von Welsbach qui a découvert que l'osmium fonctionnait exceptionnellement bien comme composant à incandescence. Son but était d'éliminer le noircissement qui se produisant dans l'ampoule avec les filaments en carbone, mais en 1903 un inventeur nommé Willis Witnew a découvert qu'on pouvait supprimer ce problème en revêtant les filaments de carbone par du métal.

L'ampoule à filament en tungstène a été lancée en 1904 par les inventeurs hongrois Sándor Just et croate Franjo Hanaman. Sa durée de vie était bien plus longue que celle de ses prédécesseurs, et la luminescence qu'elle produisait lorsque l'intérieur de l'ampoule était rempli de gaz inerte était deux fois plus importante que celle produite dans le vide.

Alors qu'environ 300 000 ampoules électriques à incandescence avaient été vendues en 1885, lorsque les ampoules à filament en tungstène sont apparues sur le marché au début du XXe siècle le nombre de prises électriques pour l'éclairage aux États-Unis avait connu une augmentation incroyable et se montait à 50 millions. En 1945, il se vendait 795 millions d'ampoules par an.

 

Les aspects techniques de l'ampoule électrique

Les premières ampoules électriques étaient vidées de leur air pour éviter l'oxydation du filament pendant le chauffage, mais aujourd'hui la plupart sont remplies de gaz inertes qui se sont avérés encore plus efficaces. En général on utilise un mélange de 93 pour cent d'argon et de 7 pour cent d'azote à une pression de 70 kPa pour éviter l'oxydation et minimiser l'évaporation à un niveau négligeable (on utilise aussi parfois du krypton)

Le filament est généralement en tungstène ; il est chauffé entre 2 000 et 3 000 degrés Kelvin pour produire une incandescence, un niveau bien inférieur au point de fusion de 3 696 K de ce matériau.

L'enveloppe en verre de l'ampoule est souvent transparente, mais de nombreuses ampoules sont d'abord enduites sur leur face intérieure d'une fine poudre blanche semblable à de la craie, appelée kaolin. Cette poudre diffuse l'incandescence pour produire une lumière plus douce ; on peut aussi y ajouter des pigments pour produire un éclairage décoratif coloré pour les sapins de Noël et les fêtes.

Le filament en tungstène est fabriqué sous forme de spirales de fil de tungstène déjà enroulées pour améliorer l'efficacité de l'ampoule. Dans une ampoule typique de 240 V et 60 W, la longueur de la spirale de tungstène est en moyenne de 60 cm (le filament lui-même est très fin et mesure seulement 0,046 mm de diamètre).

 

L'utilisation des ampoules électriques dans l'industrie

Le texte de cette rubrique pourrait se réduire à un seul mot : « partout ». Les ampoules électriques à incandescence sont utilisées pour éclairer les espaces résidentiels et industriels/commerciaux de toutes tailles, mais aussi dans les phares automobiles, les feux clignotants, les guirlandes décoratives pour les arbres de Noël et les panneaux publicitaires lumineux.

Elles sont de plus en plus souvent incorporées aux systèmes d'éclairage intelligents, car de nouvelles technologies d'automatisme et contrôle de process permettent d'allumer l'éclairage uniquement en présence d'un mouvement humain. Ceci peut être utile pour la sécurité, pour détecter des intrus humains dans les zones interdites ou protégées, ou bien pour éclairer automatiquement les zones normalement sombres quand une personne y entre. Ces systèmes d'activation de l'éclairage uniquement quand on en a besoin permettent d'économiser de l'énergie et de l'argent, et d'améliorer l'efficacité.

 

Les différences entre les ampoules électriques et les autres sources lumineuses

À la différence des lampes fluorescentes compactes économiques en énergie, qui s'appuient sur la fluorescence de la vapeur de mercure (en d'autres termes, elles émettent de la lumière en absorbant le rayonnement électromagnétique), ou les diodes luminescentes, qui utilisent le fait que les électrons dégagent de l'énergie sous forme de photons lumineux lorsqu'ils passent à un état de faible énergie, les ampoules à incandescence produisent un rayonnement thermique dont la plus grande partie se situe dans la région quasi-infrarouge non visible du spectre électromagnétique. Mais à une température suffisamment élevée elles émettent une incandescence et dégagent une partie de cette énergie thermique dans la plage lumineuse visible.

 

Les aspects révolutionnaires de l'ampoule électrique

La productivité humaine a été incroyablement améliorée par l'invention et l'adoption généralisée de l'ampoule à incandescence. Vers la fin de l'époque victorienne, ces ampoules étaient devenues une alternative bien plus sûre aux flammes nues ou à l'éclairage au gaz, notamment dans les usines et dans les mines. La production est devenue une activité 24 heures sur 24, avec des usines et installations industrielles éclairées aussi bien la nuit que le jour. Ces développements auraient été impensables sans l'arrivée de l'humble ampoule électrique.