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Du tungstène pour les ampoules à incandescence

Marie-Christine Artru

Cédric Mulet-Marquis

Catherine Simand

02/05/2007

Résumé

Pourquoi utilise-t-on du tungstène pour le filament des ampoules à incandescence ?


Rappel des questions que nous nous sommes posées :

Le tungstène est un métal, de couleur gris-acier jusqu'à blanc, de symbole chimique W, et de nombre atomique Z=74. Sauriez-vous expliquer le choix de ce métal pour les filaments des ampoules à incandescence ?

De plus, à l'intérieur des ampoules, on trouve un gaz rare, souvent le krypton ou l'argon. Comment la présence de ce gaz améliore-t-elle les performances de l'ampoule ?

Le filament

Bref historique de l'éclairage électrique

Au milieu du 19ème siècle, on s'éclaire encore à la bougie ou au gaz. La connaissance des phénomènes électriques progresse, mais ne fournit pas encore d'application à l'éclairage. La principale difficulté pour obtenir une incandescence stable est le fait qu'en présence d'oxygène un filament porté à haute température brûle instantanément.

Le chimiste Sir Joseph Swan (1828-1914, Royaume-Uni) fut le premier à tenter de réaliser une lampe. En 1860 il réussit à faire rougir un morceau de papier recouvert de carbone et maintenu entre deux électrodes dans une ampoule vide d'air pour l'empêcher de brûler. Mais il se heurte aux difficultés de faire le vide dans l'ampoule et d'assurer le contact électrique entre le papier et les électrodes. Dans les années 1870, on dispose de pompes capable de réaliser une qualité de vide suffisante. En 1878, Swan fait une démonstration de la future lumière électrique en portant à l'incandescence un fil de carbone dans une ampoule sous vide.

L'année suivante, en 1879, le génial inventeur Thomas Edison (1847-1931, Etats-Unis) qui a déjà imaginé le phonographe et amélioré le microphone, relève aussi le défi. Il réalise des centaines d'essais, par exemple en utilisant un bambou courbé en U et relié à deux fils de platine. Avec un filament de coton carbonisé, il obtient une lampe qui éclaire pendant environ 48 heures. Edison protége toutes ses découvertes en les faisant breveter.

En 1883, après un contentieux juridique sur l'antériorité de leurs inventions, Swan et Edison fondent la EDISON & SWAN UNITED ELECTRIC LIGHT Co. En 1909, le filament de tungstène remplace le filament de carbone, ce qui améliore définitivement la longévité des lampes à incandescence.

L'intérêt du tungstène

Aujourd'hui, le filament à l'intérieur de l'ampoule est en tungstène, car c'est le métal qui a la plus haute température de fusion (3410 °C selon le site www.techniques-ingenieur.fr ou 3422 °C selon www.webelements.com). Un filament de tungstène peut être chauffé à température élevée, en restant solide et rigide jusqu'à 2700 K environ, sans trop vite s'évaporer.

Le rayonnement d'un corps noir à T = 2900 K est maximum pour la longueur d'onde λm = 1 μm (loi de «déplacement» de Wien : λm T = 2898 μmK). Une grande partie du rayonnement d'incandescence des filaments de tungstène est toujours émis dans l'infra-rouge, radiation qui chauffe sans éclairer.

Idéalement, il faudrait atteindre la température de 5800 K pour reproduire un spectre blanc, voisin de celui de la lumière solaire et adapté à la sensibilité spectrale de l'œil. En augmentant la température du filament incandescent, on déplace le rayonnement de l'infra-rouge vers la lumière visible et on améliore l'efficacité de l'éclairage.

A l'intérieur de l'ampoule

Le rôle du gaz rare

Si l'ampoule était remplie d'air, le filament porté à haute température brûlerait en présence du dioxygène, et la durée de vie ne dépasserait pas la seconde. Une solution est, comme on l'a vu, de faire le vide dans l'ampoule. Dans ces lampes ordinaires, le tungstène du filament s'évapore peu à peu et se dépose sur les parois internes plus froides de l'ampoule. Elle se noircit, éclaire moins et le filament finit par se rompre (au bout d'environ un millier d'heures quand même...).

La présence du krypton ou de l'argon (qui sont des gaz inertes) permet de ralentir le dépôt du tungstène vaporisé sur les parois de l'ampoule, grâce aux chocs avec les atomes du gaz inerte. L'avantage est d'augmenter la température, et donc l'efficacité, sans diminuer la durée de fonctionnement de l'ampoule.

Pour voir un filament briller dans de l'azote et brûler dans l'air, vous pouvez consulter l'article L'azote s'amuse, et plus particulièrement la partie de la vidéo intitulée « azote et lumière ».

Les ampoules à halogène

Les ampoules à halogène permettent des éclairages très intenses, comme celle des lampes « quartz-iode » utilisées en travaux-pratiques. Quel en est le principe ?

Le gaz halogène (iode) ajouté au gaz inerte de l'ampoule sert à recycler le tungstène qui se vaporise : l'iode réagit chimiquement avec les atomes du tungstène vaporisé, les molécules d'iodure de tungstène WI formées se dissocient au contact du filament chaud, le métal s'y dépose, ce qui régénère le filament. Cela permet là encore d'augmenter la température du filament (on peut atteindre 3100 K environ), et donc l'efficacité, sans abréger la durée de vie de l'ampoule. Les ampoules « quartz-iode » sont en quartz afin de résister à cette grande température.

L'avenir de ce type d'ampoules...

Les ampoules à incandescence éclairent, mais surtout chauffent : une faible fraction (environ 5%) de l'énergie électrique consommée est convertie en rayonnement lumineux visible, la majorité étant dissipée sous forme de chaleur par effet Joule. L'efficacité lumineuse est généralement de 10 à 25 lm/W (rapport de la puissance « photométrique » du rayonnement émis, en lumen, à la puissance électrique consommée en watt).

Ce type de lampe classique est concurrencé par les lampes à décharge et les lampes fluorescentes, plus efficaces. Des lampes fluocompactes (lampes fluorescentes miniaturisées) sont vendues sous le label « basse consommation» ; leur efficacité est de 60 à 70 lm/W. Concrètement, on obtient le même éclairement avec une lampe fluocompacte de 40 W (à 60 lm/W) qu'avec une lampe classique de 100 W (d'efficacité 25 lm/W). Autre avantage des lampes fluocompactes, elles ont une durée de vie de 6 à 10 fois plus longue que les lampes à incandescence. Elles ont l'inconvénient d'être plus chères à l'achat et de produire encore une lumière bleutée, moins flatteuse pour l'éclairage intérieur.

Depuis le début de l'année 2007, plusieurs pays se fixent l'objectif de remplacer les ampoules à incandescence par des ampoules plus efficaces, afin de lutter contre les émissions de gaz à effet de serre. Le gouvernement australien a annoncé le 20 février 2007 son intention de les interdire d'ici à 2010. En effet, il a calculé qu'un tel changement, effectué par tous les ménages australiens, réduirait de 800 000 tonnes par an les émissions de CO2. Au Canada, la même annonce a eu lieu le 25 avril. Aux Etats-Unis, le gouverneur de Californie, Arnold Schwarzenegger, annonce une loi identique visant une supression totale en 2012. D'après le journal Le Monde du 24 mars 2007, l'Europe, poussée par le Royaume-Uni et surtout l'Allemagne, envisage ce type de mesure pour faire des économies d'énergie, mais avec une application très progressive : une décision concernant les particuliers pourrait être prise en 2009.