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Lampe à incandescence, quel gaz pour le filament en tungstène ?

Les lampes à incandescence contiennent des gaz inertes qui ramènent les atomes de tungstène sublimés sur le filament. Qu'en est-il dans les lampes halogène ?
par Lionel Simonot21 juin 2018

Aux températures d’utilisation du filament, certains atomes de tungstène peuvent se sublimer, c’est-à-dire passer de l’état solide à l’état gazeux. Le filament peut ainsi rompre si trop d’atomes ont été perdus : c’est la cause principale de la mortalité des lampes.

Gaz des lampes à incandescence

Dans les premières lampes, les atomes de tungstène sublimés allaient se coller à l’ampoule et ainsi l’opacifier. Pour limiter ce phénomène, des atomes de gaz rares (argon, néon, krypton) ont été ajoutés. Ils ont pour rôle de « remplir » l’ampoule et de ramener par chocs successifs les atomes de tungstène sublimés vers le filament.

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Contrairement à l’oxygène de l’air par exemple, les gaz rares ont la propriété de ne pas être réactifs. La présence de ces gaz dans l’ampoule a cependant un inconvénient : elle entraîne des pertes de chaleur supplémentaires. En utilisant un filament en hélice, ces pertes calorifiques sont réduites de manière significative par rapport à un filament droit de même longueur. Ces perfectionnements essentiels à l’invention d’Edison sont le fruit d’Irving Langmuir, ingénieur à la General Electric et, comme un symbole, premier scientifique travaillant dans un laboratoire industriel à recevoir un prix Nobel (celui de chimie en 1932).

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Avec ces améliorations, il est possible soit de mieux protéger le filament et donc d’augmenter la durée de vie de la lampe, soit au contraire de le solliciter davantage. En le portant à plus haute température, la lampe est plus efficace et, propriété de l’incandescence, la couleur de la lumière émise se modifie vers un jaune plus blanc. Toutefois pour atteindre une lumière semblable à celle émise par le Soleil, il faudrait chauffer le filament à 6000 °C. Or à cette température, le filament de tungstène ne serait plus du tout à l’état solide. Il faut se limiter à des températures légèrement inférieures à 3000 °C.

Lampe incandescence et halogène – Schéma et photomontage © Marc Liottin

Lampe halogène et gaz rares

La lampe halogène, apparue en 1959, fonctionne sur ce même principe : c’est une lampe à incandescence avec un filament de tungstène spiralé dont l’ampoule est remplie d’un gaz rare ! La seule différence est la présence de composés halogénés. Leur fonction est identique à celle des gaz rares : ramener les atomes de tungstène sublimés vers le filament mais le mécanisme, appelé cycle halogène, est encore plus efficace. Près de l’ampoule où la température est « modérée », les molécules comportant des halogènes prennent en charge les atomes de tungstène isolés pour former une molécule de plus grande taille.

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La réussite de l’opération tient au fait que cette réaction chimique est réversible mais à haute température. Ainsi, près du filament, zone beaucoup plus chaude, la molécule relâche l’atome de tungstène qui peut regagner le filament. Cette solution permet là encore d’augmenter la durée de vie et/ou de porter le filament à une plus haute température pour améliorer l’efficacité lumineuse et obtenir une lumière plus blanche.

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Les lampes halogène sont généralement constituées de deux enveloppes : la plus petite, contenant le filament, les gaz rares et les composés halogénés, est en quartz pour supporter des températures importantes ; la seconde est en verre ordinaire afin de facilité la manipulation de la lampe.

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Équipe du projet

Inventeur Thomas Edison Irving Langmuir
Sources de lumière GE Lighting Osram Philips Lighting

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Lieu

  • ENSI Poitiers
  • Poitiers, France

Livres

Eclairage d'exposition, musées et autres espaces, de Jean-Jacques Ezrati

Le manuel de l'éclairage d'exposition par Jean-Jacques Ezrati. Trente ans d'expérience, de la régie lumière au métier d'éclairagiste. Le référent des musées.

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Techniques d'éclairage Éclairage intérieur Éclairage décoratif
Professions Ingénieur
Supports Texte Photographie Photomontage
Source Lionel Simonot Light ZOOM Lumière
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Lionel Simonot
Lionel Simonot
Enseignant-chercheur. Depuis 2003, il enseigne l’éclairagisme à l’Ecole nationale supérieure d’ingénieurs de Poitiers - ENSI Poitiers. Cours magistraux et pratiques en photométrie, technologie des sources de lumière, dimensionnement électrique et interactions lumière matière. Ses activités de recherche portent sur les propriétés optiques et l’apparence visuelle de matériaux. Applications : films minces nano composites, couches de peinture en glacis ou vernis et objets obtenus par impression 3D.

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