Les différentes sources de lumière

émission thermique température de couleur

Il y a plusieurs façons de produire de la lumière : tout d'abord en chauffant, on parle alors d'émission thermique. Lorsqu'un objet est porté à une température assez élevée, il émet de la lumière visible dont le spectre est caractéristique de sa température. S'il n'est pas assez chaud il émet surtout de l'infrarouge, lumière invisible pour nos yeux mais détectée par les caméras de vision nocturne : à une température proche de 37°C, nous émettons de la "lumière" !

couleur spectre incandescence température

A partir de 1000°C environ, l'émission de lumière visible devient significative mais elle est surtout rouge. Quand la température augmente, le spectre s'enrichit peu à peu en composantes d'énergie plus élevée, correspondant aux couleurs orange, jaune, vert, bleu puis violet. La couleur de la lumière, résultant de la synthèse additive de toutes ces composantes émises, passe ainsi du rouge au orange, jaune, puis blanc une fois toutes les couleurs de l'arc-en-ciel émises de façon significative. La figure ci-contre montre l'évolution de la couleur et du spectre d'un corps incandescent à différentes températures, indiquées en Kelvin (symbole K : il faut retirer 273 pour avoir la température en °C).

 

La couleur et plus précisément le spectre de la lumière émise par un objet chauffé permet ainsi de déterminer sa température. Les forgerons utilisent ce principe pour contrôler la température des métaux qu'ils travaillent, d'où l'expression "chauffer à blanc". L'émission du soleil correspond au rayonnement d'un objet à environ 5000°C : c'est ainsi qu'on a pu déterminer la température de sa surface externe, sans aller y mettre un thermomètre !

Lampe à filament, incandescence

L'émission de lumière par les lampes à filament est d'origine thermique : un courant électrique passe dans un fil métallique très fin, ce qui produit de la chaleur par frottement, amenant le filament à une température de 2000 à 3000°C. Cette température étant bien inférieure à celle du soleil, l'émission du filament est jaune-orangée : elle contient trop de rouge et surtout d'infrarouge (plus de 90 % !). Ces lampes ont donc un rendu des couleurs différent de celui de la lumière du soleil, et surtout elles sont peu économes en énergie puisque seule une faible proportion de l'énergie électrique consommée est convertie en lumière visible (les infrarouges émis peuvent éventuellement être utiles l'hiver pour chauffer la pièce ...). C'est la raison pour laquelle on ne trouve plus ces lampes aujourd'hui dans le commerce. Pour résoudre ces deux problèmes, il faudrait élever la température du filament pour la rapprocher de celle du soleil, mais aucun métal ne reste solide à cette température (le plus souvent on utilise le tungstène, qui devient liquide au delà de 3400°C).

spectre lampe halogène vs ciel gris

Les lampes halogènes sont une amélioration des premières lampes à filament : le gaz halogène introduit dans l'ampoule permet, par réaction chimique avec le métal du filament évaporé, de le redéposer sur le filament ce qui permet d'augmenter un peu sa température sans qu'il ne claque. On améliore ainsi la durée de vie, le rendement de la lampe et la blancheur de la lumière émise. Toutefois même avec cette amélioration le rendement d'une lampe halogène ne dépasse pas 10 %, ce qui signifie que pour 100 W électrique consommés moins de 10 W sont convertis en lumière visible, et sa lumière ne sera jamais aussi "blanche" que celle du soleil puisque la température du filament reste inférieure aux 5000°C de la surface de notre étoile. On peut le voir en comparant ci-contre le spectre d'une lampe halogène et celui de la lumière du jour : même si toutes les couleurs de l'arc-en-ciel sont représentées dans les deux cas, la lampe halogène émet plus fortement du côté rouge du spectre.

Lampe à vapeur de sodium

Pour améliorer les performances énergétiques d'une lampe, il faut utiliser un autre type d'émission de lumière par la matière : l'émission atomique. Les lampes utilisant ce type d'émission sont constituées d'une ampoule (sans filament) contenant un gaz sous faible pression placé entre deux électrodes. Les atomes de ce gaz reçoivent de l'énergie par des décharges électriques, qu'ils rendent sous forme de lumière : on dit que chaque atome se désexcite en émettant un photon. La physique quantique nous apprend qu'un atome ne peut gagner ou perdre que certaines valeurs d'énergie qui lui sont caractéristiques. Les atomes dans l'ampoule émettent donc des photons avec certaines énergies bien précises, ce qui correspond à une émission de lumière seulement pour certaines couleurs : on parle de spectre de raies, signature de l'atome constituant le gaz. Par exemple un atome de sodium émet des photons dont l'énergie correspond à de la lumière orange, alors que le néon émet plutôt de la lumière rouge. La lumière orange des lampes à sodium est utilisée sur les autoroutes et dans les tunnels, où on n'a pas besoin d'un bon rendu des couleurs. La lumière rouge des tubes néons est utilisée pour les enseignes publicitaires. Dans ce type de lampe, c'est donc le gaz lui même qui émet la lumière, contrairement au cas des lampes "halogène" où le gaz n'est là que pour limiter l'évaporation du filament.

Tintin spectre

On utilise ce principe pour déterminer la nature d'un gaz en analysant ses raies d'émission.

Par exemple, c'est ainsi qu'on a su que le soleil contenait de l'hélium, sans aller y prélever de la matière !

Emission et spectre mercure

Pour l'éclairage domestique il faut une lumière "blanche", ce qui nécessite un gaz émettant au moins trois raies différentes, proches des couleurs primaires de la synthèse additive : rouge, vert et bleu. Les tubes fluorescents, souvent improprement appelés "néons" alors qu'ils n'en contiennent pas, contiennent en réalité du mercure, qui émet du orange, du vert, du violet et de l'ultraviolet. Le mélange de ces raies donne un blanc "froid" car l'émission du mercure manque de rouge.

ampoule fluocompacte, lampe à économie d'énergie

Pour remédier à ce problème on ajoute à la surface interne du tube une poudre fluorescente qui absorbe l'ultraviolet émis par le mercure, inutile et mauvais pour les yeux, et le réémet sous d'autres couleurs manquantes, ce qui donne un blanc plus naturel. Les lampes fluocompactes, appelées aussi "lampes à économie d'énergie", fonctionnement sur le même principe : ce sont des tubes fluorescents compactés au format d'une ampoule, parfois cachés sous un globe diffuseur.

Contrairement aux lampes à filament, ces lampes (fluocompactes ou tubes fluos) émettent peu d'infrarouge. Elles ont donc un bien meilleur rendement, typiquement 3 à 4 fois meilleur qu'une lampe halogène. Leur spectre peut être modifié par le choix de la poudre fluorescente, qui permet d'obtenir des "blancs" plus ou moins "chauds" c'est à dire enrichis du côté rouge du spectre, ou "froids" c'est à dire enrichis du côté bleu.

N.B. la dénomination "chaud" ou "froid" utilisée ici entre guillemets est celle du langage courant et non des scientifiques : d'après ce que nous avons dit plus haut à propos de l'émission thermique, un objet émettant de la lumière rouge est moins chaud qu'un objet émettant de la lumière bleue. Par exemple, les étoiles rouges sont moins chaudes que les étoiles bleues. Or dans le langage courant le rouge est qualifié de couleur "chaude" à cause du feu, le bleu de couleur "froide" à cause de la glace. C'est d'ailleurs ce code couleur qu'on indique sur les robinets pour différencier l'eau chaude et l'eau froide, l'inverse de l'émission thermique !

Tubes fluo température de couleur

Quand on achète une ampoule, on trouve aujourd'hui sur son emballage une indication de sa température de couleur, température qu'aurait un objet dont l'émission thermique correspondrait au même "blanc". On trouve ainsi des tubes fluorescents 3000 K (éclairage blanc-jaune donc "chaud") ou 7000 K (éclairage blanc-bleuté donc "froid"). On voit ici que l'éclairage qualifié de "froid" est celui qui a la température de couleur la plus élevée ...

Récemment, un nouveau type de lampe a commencé à envahir le marché de l'éclairage domestique : les lampes à LED (en français DEL pour diode électroluminescente). Il s'agit de composants électroniques faits de matériaux semi-conducteurs qui, lorsqu'ils sont parcourus par un courant électrique, émettent une lumière colorée dont la couleur dépend du matériau dont ils sont constitués : c'est le fonctionnement inverse de celui d'un panneau solaire, qui lui produit de l'électricité quand il reçoit de la lumière. Les premières LED réalisées émettaient du rouge, orange, jaune ou vert, et seulement en faibles puissances lumineuses. Elles étaient donc utilisées uniquement comme voyant lumineux.

spectre LED blanche

Depuis peu on sait réaliser des LED émettant de la lumière bleue, violette ou proche UV et aussi augmenter leur puissance d'émission, ce qui a permis d'ouvrir la porte à l'utilisation de ces lampes pour l'éclairage ou l'affichage (écrans publicitaires) : on a commencé à réaliser des LED blanches en associant trois LED de couleurs primaires rouge + vert + bleu, maintenant on utilise une LED bleu-UV et un capot fluorescent pour transformer l'émission UV en lumière blanche, comme dans un tube fluorescent. Ces éclairages à LED sont également disponibles avec différentes températures de couleur, fonction du type de poudre fluorescente utilisée, et on un très bon rendement énergétique.