Principe de la lampe à incandescence et construction de la lampe à incandescence

La source lumineuse électrique qui fonctionne sur le principe du phénomène incandescent est appelée lampe incandescente. En d'autres termes, la lampe qui fonctionne en raison de la luminescence du filament causée par le courant électrique qui la traverse, est appelée lampe incandescente.

Comment fonctionnent les lampes incandescentes?

Lorsqu'un objet est chauffé, les atomes à l'intérieur de l'objet deviennent thermiquement excités. Si l'objet ne fond pas, les électrons des orbites externes des atomes sautent à un niveau d'énergie plus élevé en raison de l'énergie fournie. Les électrons à ces niveaux d'énergie plus élevés ne sont pas stables, ils retombent donc à des niveaux d'énergie plus bas. En tombant des niveaux d'énergie plus élevés aux niveaux d'énergie plus bas, les électrons libèrent leur énergie supplémentaire sous forme de photons. Ces photons sont ensuite émis à la surface de l'objet sous forme de rayonnement électromagnétique.

Ce rayonnement aura différentes longueurs d'onde. Une partie des longueurs d'onde se situe dans la gamme visible, et une part importante des longueurs d'onde se trouve dans la gamme infrarouge. L'onde électromagnétique avec des longueurs d'onde dans la gamme infrarouge est de l'énergie thermique, et l'onde électromagnétique avec des longueurs d'onde dans la gamme visible est de l'énergie lumineuse.

Incandescent signifie produire de la lumière visible en chauffant un objet. Une lampe incandescente fonctionne sur le même principe. La forme la plus simple de source artificielle de lumière utilisant l'électricité est une lampe incandescente. Ici, nous utilisons un courant électrique pour faire passer un courant à travers un filament fin et délicat afin de produire de la lumière visible. Le courant élève la température du filament à un point tel qu'il devient lumineux.

Histoire de la lampe incandescente

On considère généralement que Thomas Edison était l'inventeur de la lampe incandescente, mais l'histoire réelle n'était pas tout à fait comme cela. Il y avait de nombreux scientifiques qui ont travaillé et conçu des prototypes de lampes incandescentes avant Edison. Parmi eux, on compte le physicien britannique Joseph Wilson Swan. D'après les archives, il a obtenu le premier brevet pour la lampe incandescente. Plus tard, Edison et Swan se sont associés pour produire des lampes incandescentes à grande échelle.

Construction de la lampe incandescente

Le filament est fixé entre deux fils conducteurs. Un fil conducteur est connecté au contact de pied et l'autre se termine sur la base métallique de l'ampoule. Les deux fils conducteurs passent à travers un support en verre monté au milieu inférieur de l'ampoule. Deux fils de soutien également attachés au support en verre, sont utilisés pour soutenir le filament à sa partie centrale. Le contact de pied est isolé de la base métallique par des matériaux isolants. L'ensemble du système est encapsulé par une ampoule en verre colorée, recouverte de phosphore ou transparente. L'ampoule en verre peut être remplie de gaz inerte ou maintenue sous vide, selon la puissance de la lampe incandescente.

Le filament des lampes incandescentes est hermétiquement évacué avec une ampoule en verre de forme et de taille appropriées. Cette ampoule en verre est utilisée pour isoler le filament de l'air ambiant afin de prévenir l'oxydation du filament et de minimiser le courant de convection autour du filament, permettant ainsi de maintenir la température du filament élevée.

L'ampoule en verre est soit maintenue sous vide, soit remplie de gaz inertes comme l'argon avec un petit pourcentage d'azote à basse pression. Les gaz inertes sont utilisés pour minimiser l'évaporation du filament pendant le service des lampes. Cependant, en raison du flux de convection des gaz inerts à l'intérieur de l'ampoule, il y a de grandes chances de perdre la chaleur du filament pendant son fonctionnement.

De nouveau, le vide est un excellent isolant thermique, mais il accélère l'évaporation du filament pendant son fonctionnement. Dans le cas des lampes incandescentes à gaz, 85% d'argon mélangé avec 15% d'azote est utilisé. Parfois, le krypton peut être utilisé pour réduire l'évaporation du filament car le poids moléculaire du gaz krypton est assez élevé.

Mais cela coûte plus cher. À environ 80% de la pression atmosphérique, les gaz sont introduits dans l'ampoule. Le gaz est introduit dans l'ampoule avec une puissance supérieure à 40 W. Mais pour les ampoules de moins de 40 W, aucun gaz n'est utilisé.

Les différentes parties d'une lampe incandescente sont montrées ci-dessous.

Filament de la lampe incandescente

De nos jours, les lampes incandescentes sont disponibles en différentes puissances comme 25, 40, 60, 75, 100 et 200 watts, etc. Il existe différentes formes d'ampoules, mais elles sont toutes essentiellement arrondies. Il y a principalement trois matériaux utilisés pour produire le filament des lampes incandescentes, qui sont le carbone, le tantale et le tungstène. Le carbone était précédemment utilisé comme matériau de filament, mais actuellement, le tungstène est le plus utilisé à cet effet.

Le point de fusion du filament en carbone est d'environ 3500oC, et la température de fonctionnement de ce filament est d'environ 1800oC, donc la probabilité d'évaporation est assez faible. Grâce à cela, les lampes incandescentes à filament de carbone sont exemptes d'assombrissement dû à l'évaporation du filament. L'assombrissement de la lampe à filament se produit lorsque les molécules du matériau du filament sont déposées sur la paroi intérieure de l'ampoule en verre en raison de l'évaporation du filament pendant son fonctionnement.

Cet assombrissement devient plus prononcé après une longue durée de vie de la lampe. L'efficacité de la lampe à filament de carbone n'est pas bonne, elle est d'environ 4,5 lumens par watt. Le tantale a été utilisé comme filament, mais son efficacité est beaucoup plus faible, elle est d'environ 2 lumens par watt. C'est pourquoi le tantale est très rarement utilisé comme élément de filament.

Le matériau de filament le plus largement utilisé aujourd'hui est le tungstène en raison de son haut rendement lumineux. Il peut donner 18 lumens par watt lorsqu'il fonctionne à 2000oC. Ce rendement peut atteindre 30 lumens par watt lorsqu'il fonctionne à 2500oC. Le point de fusion élevé est un critère majeur pour le matériau de filament, car il doit fonctionner à très haute température sans s'évaporer.

Bien que le tungstène ait un point de fusion légèrement inférieur à celui du carbone, le tungstène est encore plus préférable comme matériau de filament. Cela est dû aux hautes températures de fonctionnement qui rendent le tungstène beaucoup plus efficace en termes de luminosité. La résistance mécanique du filament en tungstène est assez élevée pour résister aux vibrations mécaniques.

Durée de vie des lampes incandescentes

Quelle que soit la technologie de fabrication, chaque type de lampe incandescente a une durée de vie approximative. Cela est dû au phénomène d'évaporation du filament, qui peut être minimisé mais pas complètement évité.

En raison de l'évaporation du filament, l'ampoule en verre s'assombrit au fil du temps. En raison de l'évaporation du filament, le filament devient plus fin, ce qui rend le filament moins efficace en termes de luminosité, et finalement, le filament se rompt. Comme les lampes à filament sont directement connectées à la ligne d'alimentation, les fluctuations de tension dans la ligne affectent les performances de l'ampoule.

Il a été constaté que l'efficacité lumineuse d'une lampe incandescente est directement proportionnelle au carré de la tension d'alimentation, mais en même temps, la durée de vie de la lampe est inversement proportionnelle à la 13e à la 14e puissance de la tension d'alimentation. Les principaux avantages des lampes incandescentes sont qu'elles sont suffisamment bon marché et très adaptées à l'éclairage de petites surfaces. Cependant, ces lampes ne sont pas économes en énergie et environ 90% de l'énergie électrique d'entrée est perdue sous forme de chaleur.

Disponibilité des ampoules incandescentes sur le marché

Il existe diverses formes et tailles attractives d'ampoules disponibles sur le marché. Les lampes PS30 ont une forme poire, la lampe T12 est tubulaire avec un diamètre de 1,5 pouce, la lampe R40 est avec un enveloppe réflectrice de 5 pouces de diamètre. En fonction de la disponibilité de la puissance, les ampoules sont courantes sur le marché avec 25, 40, 6