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Pour un éclairage respectueux de l’ environnement



Pour un éclairage respectueux de l’ environnement
Tout au long des trois parties de notre article intitulé, ‘’L’homme et l’électricité, quelle histoire?’’, publié dans le journal Libération les 8, 9 et 12 janvier 2021, nous avons retracé les circonstances et les conditions scientifiques qui ont permis à Maxwell de réaliser ses travaux, dont l’aboutissement est l’introduction de l’électromagnétisme et des ondes électromagnétiques. Ce qui l’avait le plus motivé, c’était l’étude de l’effet lumineux, alors en faisant la synthèse des travaux sur l’électromagnétisme de Faraday et ceux de Fresnel sur la lumière, il est parvenu à surprendre le monde scientifique de l’époque en affirmant l’unicité de la lumière et de l’électromagnétisme. Après que les caractéristiques des ces ondes ont été déterminées, rapidement, d’autres familles de ces ondes électromagnétiques furent identifiées, et par là, elles ont donc vu le jour : d’abord les ondes hertziennes, ensuite les rayons X et les rayons gamma jusqu’à ce que toutes les autres radiations (longueurs d’onde) soient découvertes au complet.

Globalement, les ondes électromagnétiques dans leur intégralité se trouvent toutes portées par une échelle appelée spectre électromagnétique s’étendant depuis les ondes radio de longueurs d’ondes kilométriques aux rayons gamma, dont la longueur d’onde est de l’ordre de quelques 10-14 mètres. Il n’y a, a priori, pas de caractère commun, entre les ondes radio, un arc-en-ciel, les rayons X du radiologue et la radioactivité du radium. Pourtant, tous ces rayonnements partagent le même lieu d’appartenance, lieu où ils sont portés par ce spectre électromagnétique, si bien qu’ils soient différents les uns des autres, mais ils obéissent aux mêmes équations de Maxwell. L’émission d’ondes électromagnétiques est une affaire d’excitation de la matière qui réagit en se relaxant après cet effet, et cette matière est formée d’atomes ou de molécules qui sont les sources élémentaires de cette émission. Selon l’intensité de cette excitation, ce sont en fait les niveaux (d’énergie) électroniques qui la reçoivent et suite à un processus répété des deux effets (excitation-émission), on obtient la gamme de rayonnement voulue. Pour les niveaux dits périphériques, c’est le domaine intermédiaire de l’énergie comme le visible (entre 0,4 et 0,8 micromètres) ou le proche infrarouge (de 0,8 à 2 micromètres), et plus on va au cœur de l’atome, proche du noyau (ou de la molécule), plus on est dans le domaine des fortes énergies comme c’est le cas des ultraviolets ou les rayons X. C’est ainsi qu’est obtenue la lumière visible qui est notre moyen de vision, où l’on distingue fondamentalement deux processus à l’origine de son obtention : l’incandescence et la luminescence.

On parle d’incandescence quand la lumière émise vient des corps chauffés dont la température dépasse au moins les 700 degrés Celsius (°C). C’est cette valeur charnière qui sépare ce phénomène d’incandescence de celui de la luminescence. C’est la lumière dite ‘’lumière chaude’’ qui obéit à des lois qui ne dépendent pas du tout de la nature du corps émetteur, mais surtout de la température comme un corps noir. Les cas les plus courants dans notre vie quotidienne sont l’ampoule électrique et la résistance de chauffage domestique. Par contre, la luminescence, comme résultat d’un processus répété durablement des mécanismes excitation-relaxation à l’intérieur des atomes ou molécules, dépend intimement de la nature de ces espèces. Plusieurs formes de luminescence existent actuellement, et se distinguent surtout par le mode d’excitation apporté aux corps émetteurs. Lumière obtenue par incandescence : Historiquement, les premières lampes à incandescence sont apparues vers 1880, avec le chimiste britannique Swan, qui en a fait la démonstration en portant à une température dépassant les 2000 °C un filament de carbone dans une ampoule sous vide. Mais cette première lampe n’a pas eu de succès à cause des durées de vie qui ne dépassaient guère les quelques dizaines d’heures. Depuis 1910, le filament de tungstène a remplacé le filament de carbone, ce qui a permis d’allonger la durée de fonctionnement des lampes à hauteur de presque 1000 heures.

L’intérêt du tungstène réside essentiellement dans sa température de fusion qui est voisine de 3420 °C. Donc, même chauffé entre 2700 et 2900 °C, où se situe la température d’émission du corps noir, le métal reste relativement solide sans se vaporiser. Son inconvénient, c’est qu’une grande partie de ce rayonnement est émise toujours dans l’infrarouge, qui est un rayonnement sans intérêt, car il chauffe sans éclairer. C’est presque 90% d’énergie perdue dans la nature, qui porte évidemment préjudice à l’environnement : ce sont des lampes qualifiées d’énergivores. Et comme la grande partie de l’énergie électrique actuelle est encore d’origine fossile, de telles lampes contribuent indirectement au réchauffement climatique. Ce qui serait idéal, c’est d’atteindre des températures de l’ordre de 5500 °C pour avoir une vraie lumière blanche, avec un spectre voisin de celui de la lumière solaire qui est bien adapté à la sensibilité spectrale de l’œil. Avant d‘atteindre cette lumière, on obtient d’abord celle de couleur rouge (comme le côté d’énergie la plus basse du spectre visible) lorsque les corps sont chauffés aux alentours de 700 °C, qui est la température de rupture entre les deux processus, et à 1500 °C, elle passe au jaune-orange, comme zone médiane du spectre visible. Au-delà de 2000 °C, c’est la lumière blanche qui apparaît : pour le filament de tungstène, la température peut atteindre 2500 °C et même plus.

Pour des températures encore plus élevées, la lumière émise vire légèrement vers le bleu (côté d’énergie la plus élevée du spectre visible), comme l’arc électrique ou les étoiles chaudes. Ces variations de couleur selon la température s’expliquent par la contribution de toutes les composantes de la partie visible du spectre électromagnétique. Lorsque la température augmente encore, on constate un décalage vers les radiations les plus énergétiques, ce qui rejoint le concept du corps noir qui est décrit quantitativement comme émetteur de rayonnement d’origine thermique. La lampe à filament de tungstène est aussi une technologie, car il lui faut un gaz rare pour sa passivation. En effet, si l’ampoule est remplie d’air, le filament porté à de hautes températures brûlerait en présence de l’oxygène, et sa durée de vie ne dépasserait pas quelques secondes. En chauffant le tungstène, celui-ci s’évapore petit à petit et se dépose sur les parois internes de l’ampoule. La lampe se noircit vite, en éclairant de moins en moins et le filament finit par rompre. La présence d’un gaz rare (Argon, Krypton) permet de ralentir le dépôt de tungstène vaporisé sur les parois, grâce aux collisions entre atomes de tungstène et ceux du gaz rare. Le rôle du gaz rare sert donc à augmenter la température, et par conséquent, assurer l’efficacité de la lampe en préservant sa durée de vie. Dans le même contexte du processus d’incandescence, il y a un autre type de lampes, qui est celui du quartz-halogène, comme le cas de l’iode-halogène utilisé pour des éclairages intenses dont on se sert pour les travaux pratiques et dans les rétros et les projecteurs. Dans ces lampes, le verre de silice est remplacé par le quartz (très résistant à la chaleur), et le gaz halogène (généralement l’iode) est rajouté au gaz rare de l’ampoule dans un rôle de recyclage du tungstène qui se vaporise : l’iode réagit chimiquement avec les atomes du tungstène en formant les molécules d’iodure de tungstène (IW) qui se dissocient une fois en contact avec le filament chaud. Ainsi, le métal s’y dépose et régénère le filament, ce qui permet d’augmenter la température jusqu’à 2800 °C, et donc gagner en efficacité sans écourter entre autres la durée de vie de l’ampoule.

Dans le moyen terme, ces lampes sont appelées à disparaître, car non seulement elles éclairent mais surtout elles chauffent, puisqu’une faible fraction (environ 10%) de l’énergie électrique consommée est convertie en lumière alors que la majorité (90%) est dissipée sous forme de chaleur par effet Joule. Tubes à fluorescence: Les lampes à incandescence ont comme concurrents les tubes à décharge fluorescente, appelés à tort lampes de néon, alors qu’elles ne contiennent pas du tout cet élément qui émet dans le rouge, à l’instar du laser hélium-néon. L’élément qui joue le rôle principal dans ce type d’éclairage est le mercure à l’état vapeur, et la notion de fluorescence est un des plusieurs cas de luminescence sur lesquels nous reviendrons ci-après. Des formes plus compactes sont apparues sur le marché ces dernières années, appelées fluocompactes qui sont des lampes fluorescentes de petite taille, vendues avec un seul et unique label : Basse consommation. Elles sont généralement utilisées dans des espaces communs ouverts au public comme les cafés, les restaurants, halls des magasins, etc.

Pour leur fonctionnement, les lampes fluorescentes standards nécessitent trois appareillages spécifiques le premier pour l’allumage, le deuxième pour améliorer la qualité du courant et le troisième pour entretenir la décharge et stabiliser le courant. Une électrode éjecte des électrons qui excitent le mercure vapeur de l’ampoule, celui-ci se relaxe en générant des ultraviolets qui excitent à leur tour la couche fluorescente à la surface de l’ampoule, et celle-ci la réémet sous forme de lumière blanche. Physiquement, la notion de fluorescence signifie l’excitation à l’aide d’une certaine radiation (ici l’ultraviolet), qui est différente de celle de la réémission.

Concrètement, on obtient le même éclairement avec une fluocompacte de 25 W qu’avec une lampe à filament de tungstène de 100 W. Un autre avantage à mettre sur le compte de ces fluocompactes, c’est qu’elles ont des durées de vie de 6 à 10 fois plus longues que celles des lampes à incandescence. Cependant, elles ne manquent pas d’inconvénients majeurs : elles sont plus cher à l’achat, produisent de la lumière bleuté et surtout à la fin de leur utilisation, il leur faut un site de recyclage spécifique car leur éclairage se passe dans une atmosphère de mercure vapeur. Dans les sites de recyclage, ce mercure devrait être récupéré et traité sinon, dans la nature, il peut provoquer de graves dommages sanitaires comme le cancer. Là aussi, c’est de l’éclairage avec une grande part de nuisance à l’environnement. Lampes de sodium à basse pression: Ce sont les lampes utilisées dans l’éclairage des tunnels et la majorité des rues. Contrairement aux lampes à incandescence qui émettent dans tout le spectre continu du visible et au-delà, ces lampes n’émettent que deux raies très proches l’une de l’autre avec 589 et 589,6 nanomètres : c’est ce qu’on appelle le doublet jaune de sodium, très utilisées dans les travaux pratiques d’optique de la licence de physique. Le rendu des couleurs est impossible à obtenir avec de telles lampes, alors qu’il est excellent avec les lampes à incandescence dont le spectre contient toutes les raies du visible. C’est un cas parmi plusieurs utilisant le phénomène de luminescence.

Processus de luminescence : C’est un phénomène d’émission de lumière dite ‘’lumière froide’’ par opposition à la ‘’lumière chaude’’ résultant de l’incandescence. La lumière émise par luminescence est une véritable lumière spectrale résultant des transitions électroniques entre niveaux permis (par les règles de sélection) en mode d’absorption d’abord, ensuite en mode de relaxation. C’est une relaxation qui se fait depuis les niveaux excités vers les niveaux initiaux, dans les atomes, les molécules et dans les cristaux. L’énergie libérée sous forme de raies spectrales séparées est le résultat de la perturbation apportée au corps émetteur peuvant être sous plusieurs formes : électrique, thermique, chimique, photonique, mécanique, etc. Les différents modes de luminescence sont nommés et définis selon les modes d’excitation utilisés : la thermoluminescence par effet thermique, l’électroluminescence par application d’un champ électrique, la chimiluminescence par effet chimique, la photoluminescence par effet de photons, etc.

Les LED : Les lampes LED, qui viennent de leur abréviation en anglais :’’LightEmitting Diode’’, ou DEL, en français ‘’Diode Electro-Luminescente’’, sont des lampes qui exploitent la propriété d’électroluminescence. C’est une propriété qui a été mise en évidence en 1907, et la première LED fonctionnant dans le visible a été inventée en 1962 par les ingénieurs du géant américain, General Electric. Dans les années 1990, l’équipe de recherche de la Nichia Company au Japan, sous la direction de Shuji Nakamura, a donné de l’intérêt aux semi-conducteurs GaN (Nitrure de Gallium) et InN (Nitrure d’Indium), alors que les seules LED existantes étaient à base d’alliages de carbure de silicium (SiC), et n’émettaient que dans le bleu.

Le Prix Nobel de physique de 2014 est revenu à l’Américain d’origine japonaise Shuji Nakamura, et aux deux Japonais, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano pour leur invention de la diode électroluminescente émettrice dans plusieurs couleurs y compris la lumière blanche. Avec leur invention, ils sont venus compléter la palette des couleurs mises à la disposition des producteurs pour couvrir tout le spectre visible, en jouant sur différents alliages à base de GaN. Enfin, les avantages des lampes LED sont nombreux par rapport aux autres lampes, on peut citer en particulier les longues durées de vie, la faible consommation d’énergie, un fonctionnement à de très basses tensions, la possibilité de produire plusieurs couleurs séparées, etc. Un seul inconvénient qui défavorise ce genre de lampes, c’est le prix exorbitant des éléments Ga et In et leur rareté, car ils sont considérés parmi les éléments rares dont seule une poignée de pays détient leurs gisements, et principalement la Chine. L’auteur de cet écrit (A. N.) a rédigé un article dans le journal Libération daté du 6 mars 2014, intitulé : ‘’Toute la lumière sur le Prix Nobel de physique de 2014’’, où ont été exposés tous les travaux et réalisations qui ont abouti à la conception des LED et leurs diverses applications pour l’éclairage et en dehors de l’éclairage.

En relation avec le sujet : Dès 2007, des pays comme les Etats-Unis, l’Australie et le Canada ont pris des décisions en faveur de l’arrêt progressif de la production et de l’utilisation des lampes à incandescence à cause de leur forte consommation d’énergie. Il en est de même pour les Etats de l’Union européenne qui ont approuvé dès décembre 2008, l’arrêt de la vente des lampes à incandescence de 100 W à partir de septembre 2009, puis celles de 75 W pour septembre 2010 et enfin celles de 60 W pour septembre 2011. L’abandon définitif de toutes ces marques dans les pays occidentaux est intervenu en septembre 2012. Le même sort a été réservé aux lampes quartz-halogènes, puisqu’elles ont été interdites de production et d’utilisation dans tous les pays cités, et ce à partir de septembre 2018. 

 

Ces mesures ont été prises, car la réduction de la consommation d’énergie est passée au premier plan, et pour des raisons économiques et écologiques, la production de l’énergie est une composante majeure dans le dégagement du dioxyde de carbone. Pourrions-nous un jour imposer ces restrictions concernant l’utilisation de ces lampes qu’on trouve encore dans tous nos commerces, et sans le moindre scrupule environnemental?

Par Abdelkrim Nougaoui
Enseignant-chercheur à Oujda

Libé
Jeudi 11 Mars 2021

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