la lumière : expliquations

Vingt siècles d’études sur la lumière et un peu plus d’un demi pour la mécanique quantique pour nous permettre de comprendre aujourd’hui à notre manière ce qu’est la lumière.
Vous trouverez ici de quoi comprendre les principaux phenomene expliqués, quelques recettes scientifiques qui répondent à leur manière à la question.

La lumière est, mais elle ne va pas de soi.

« Soyons francs, tous ceux qui ne sont pas aveugle connaissent la lumière et pourtant, nous ne savons pas en parler : nous ignorons sa nature et sa consistance. Les philosophes qui utilisent de grands mots vide de sens pour la définir ne font qu’augmenter les difficultés qu’il prétendent vouloir résoudre. Il n’est pourtant pas téméraire de se lancer dans cette étude » (Grimaldi, 1661)

 

la lumière : c'est quoi ?

Pour l’être humain, la lumière permet la vision, mais la lumière existe sans que notre œil soit là pour en témoigner.
La vision n’est qu’un effet parmi tout ce que la lumière produit.

La lumière, une onde

Quand on jète un caillou dans l’eau, des rides circulaires se forment à la surface et progressent du centre vers la périphérie.
Le caillou entraîne des particules d’eau vers le bas, elles tentent alors de revenir à leur position initiale mais leur inertie fait qu’elles la dépasse : elles vibrent. Leur mouvement se communique aux particules voisines, il est ainsi transmit.
On peut dire que l’onde est un état de la matière, et non la matière elle même.
Si on mesure la profondeur des vaguelettes, on détermine la taille des fronts et des creux : c’est l’amplitude.
La mesure horizontale entre le point de départ d’un front ascendant et point d’arrivée en position initiale de son front descendant correspond à la longueur d’onde.
Ce sont les deux mesures spatiales qui permettent de définir une onde, mais nous pouvons également mesurer la formation d’une onde dans le temps :
Le temps que mettent les particules d’eau à communiquer le mouvement (temps que mettent un front creux et un front haut à se former) est appelé période, c’est la durée d’une vibration.
Lorsqu’on dénombre le nombre de fronts par unité de temps, on détermine la fréquence.
La vitesse est le temps que met l’onde à parcourir une certaine distance.

vue shématique d'une onde
A représente l'amplitude, l une longueur d'onde (1 période) Tr le trajet de l'onde

En ce qui concerne la lumière, la vitesse admise est de 299 790 km/s dans le vide.

Puisque la lumière se propage même dans le vide, alors qu’une onde est un mouvement de matière, la lumière est donc constituée par quelque chose…
Le son se propage dans l’air par les vibrations des molécules qui constituent l’air.

En 1864, le physicien Maxwell étudie l’électromagnétisme et compare le comportement de la lumière aux propagations d’ondes électromagnétiques : celles-ci résultent d’un équilibre entre un champ électrique et un champ magnétique qui se déplacent sur des plans opposés.
Les deux champs sont perpendiculaires et se propagent synchroniquement, les vibrations de l’un entraînent des variations de l’autre, leurs oscillations se propagent de proche en proche comme les vaguelettes à la surface de l’eau.

Les Interférences

Les ondes peuvent se composer ou s’annuler.
Si deux ondes ont la même longueur, la même amplitude et qu’elles se propagent dans le même sens :
Elles se composent si le sommet ascendant de l’une correspond au le sommet ascendant de l’autre. On dit alors qu’elles sont en phase. L’énergie résultante est le cumul des deux ondes.
Elles s’annulent si au même instant leurs sommets sont opposés.

Deux ondes oposées d'une demi longueur d'onde. S1 et S2 sont nos sources de lumière, les interférences ont lieu à la rencontre des cercles.

Young découvre le phénomène des interférences avec l’expérience suivante :
Lorsqu’on éclaire un écran percé d’un petit trou avec un rayonnement qui ne possède qu’une seule longueur d’onde, le trou se comporte comme s’il était lui même une petite source lumineuse, il émet un faisceau divergent.
Si on perce un deuxième trou, les deux faisceaux transmis se superposent dans une zone où ont lieu des interférences :
Alternativement, des rayures sombres et claires apparaissent.
Au centre, à égale distance des deux trous, il y a une frange intense, les ondes ont parcouru la même distance, leur différence de marche est nulle, les vibrations concordent et se renforcent.
De part et d’autre de cette frange on observe deux interfranges sombres où les ondes s’opposent.
On peut mesurer la distance (i) entre une interfrange et le centre de la première frange lumineuse. L’écartement (a) entre les deux trous et la distance (d) entre ceux-ci et l’écran.
On peut ainsi évaluer la longueur d’onde du rayonnement par la formule : l = i . a / d.

Cette expérience fonctionne parfaitement si la lumière est parfaitement monochromatique, mais à faible intensité, les rayures deviennent discontinues, comme s’il en résultait d’une série d’impacts individuels.
Si Young reste perplexe devant ce résultat, nous devons à Einstein l’explication de ce phénomène.

La lumière, une énergie, les photons.

En 1913, les particules qui constituent la lumière sont officiellement appelées photons.
La quantité d’énergie transportée par une onde dépend de la longueur de celle-ci.
Plus l’onde est courte, plus la quantité d’énergie transportée est grande.
L’énergie est inversement proportionnelle à la longueur d’onde.

En 1900, le physicien Max Planck découvrait que l’énergie des ondes électromagnétiques ne varie pas de manière continue, et qu’elle admet certaines valeurs précises, ce qui permet d’évaluer la quantité d’énergie transportée :
(E) représente l’énergie du rayonnement en joule par seconde
(h) est appelé constante de Planck et a la valeur de 6,625,10-34 j/s
(V) désigne la fréquence de vibration
E= h . V

Il y a emission de lumière lorsqu'au sein d'un atome, les electrons changent de niveau d'energie. On parle d'excitation lorsqu'un électron passe à un niveau d'énergie supérieur, quand celui-ci retombe à son niveau initial, il emet de l'enerigie : un photon est alors libéré.

La lumière, la notion de source lumineuse.

L'incandescence

L'échauffement d'un corps provoque une acceleration des atomes qui le constituent. S'il est suffisament chauffé, des électrons vont être excités et il va se dégager des photons. Ceux si vont d'abord vibrer faiblement, et plus la témpérature augmente, plus l'emission de photons va s'enrichir de vibrations plus rapides.

Ainsi, lorsqu'on chauffe un corps noir, il se met d'abord à rougir, puis à jaunir et finalement à blanchir. Il y a d'abord emission de grandes longueurs d'ondes, puis simultanément, des ondes de plus en plus courtes vont être émises. La lumière ainsi produite est la somme de toutes les longueurs d'ondes.

On mesure la température de couleur de la lumière en degrés Kelvin, (0 degré Kelvin = - 273,15°C), en mesurant la température d'un corps noir en le chauffant, on donne des valeurs de références pour certains paliers qui correspondent à une qualité d'émission de lumière. Une température de couleur basse donnera une lumière très riche en rouges et pauvre en bleus. Plus la température augmente, plus les courtes longueurs d'ondes sont présentes, plus la lumière parait blanche et même bleutée.

Lorqu'on échauffe un filament dans une ampoule : L'ampoule possède une atmosphère qui empèche le filament de brûler, elle permet de porter le filament à une forte température (2800-3200°K). On utilise cet échauffement pour produire de la lumière.

Les premières 'lampes' étaient réalisées avec un filament simple en carbone. En chauffant celui-ci, Mr Edison à eu l'idée de le protéger pour empêcher sa combustion : l'ampoule était née.

Aujourd'hui, les filaments sont spiralés pour accroitre leur longueur et augmenter ainsi la quantité de lumière produite. Ils sont en tungstène, plus résistant que le carbonne. L'atmosphère des ampoules à été travaillée pour réduire au maximum la dégradation du filament.

Lors de la chauffe, le filament brûle peu à peu et des dépots apparaissent sur le verre de l'ampoule, c'est de la matière enlevée à celui-ci qui voit sa fragilité s'accroitre. On a donc cherché un moyen pour éviter cette perte et augmenter la durée de vie du filament. Les lampes halogènes sont témoins de cette évolution : le verre de l'ampoule est remplacé par du quartz, et des halogénures métaliques sont incorporées dans le gaz; résultat : les particules métaliques du filament ne se fixent plus sur le verre mais se redéposent sur le filament lui même, et le regénèrent. Ce dispositif permet ainsi d'augmenter l'echauffement du filament (puisque celui-ci brûle moins vite) et d'obtenir une lumière plus intense et dont la température de couleur est plus élevée.

Les lampes, 12V 24V 110V 220Volts?

Aujourd'hui, lampes existent dans plusieurs tensions. Que cela change t-il au niveau de la lumière?

Dans les équipements sensibles (à proximité d'eau, mais aussi à proximité du public ou pour des équipements lumineux dans un décor) la basse tension (12V, 24V) est préconisée (car les risques d'electrocution sont moindres). Cela suppose une alimentation sur batterie ou par un transformateur. Dans ce deuxième cas, la section des cables qui relie la lampe au transformateur sera plus importante que celle qui relie le transformateur au secteur. En effet, si le transformateur réduit la tension, l'intensité elle augmente.

Rappelons le rapport qui existe entre Intensité (le courant consommé par la lampe, exprimé en Ampère), Tension (le voltage pour lequel la lampe est destinée) et Puissance (exprimée en Watt, c'est une unité qui mesure l'enegie, elle correpond au travail d'un joule par seconde)

P(Watt)=U(Volt) x I(Ampère)
U=P/I
I=P/U

Cette formule montre que pour une même puissance, si la tension augmente, l'intensité diminue (et vis versa).

Le KVA c'est quoi?

Il s'agit d'une mesure en kilo-volt ampère. Elle est utilisée pour décrire la puissance utile d'un transformateur par exemple.
La puissance en watts (P) est donnée par la formule P = VI cos(j) dans laquelle j représente l’angle de déphasage entre la tension et l’intensité.
Ce cosinus(j) (encore appelé facteur de puissance) étant toujours inférieur à 1, la puissance réelle délivrée sera donc toujours inférieure à la valeur calculée en multipliant simplement la tension par l’intensité. Cet angle de déphasage est difficile à mesurer et varie même en fonction des équipements connectés d'où le fait que les constructeurs utilisent plutôt les VA. En pratique ceci explique pourquoi il est généralement nécessaire de diviser par 1,4 à 1,5 la valeur en KVA pour obtenir la valeur en KWatts utilisables.

La puissance exprimée ici est une puissance électrique, elle ne correspond pas directement à la puissance lumineuse. Cette dernière en effet est dépendante du rendement (et de la durée de vie de la lampe) : on parle d'efficacité, et cela se mesure en lumen par watt (lm/W).

mesures de quantité de lumière

La quantité de lumière émise par une lampe est exprimée en LUMEN (symbole lm) et en CANDELA (cd).

LUMEN : Unité de flux lumineux correspondant au flux émis par une source d'une intensité de 1 candela, contenu dans un angle solide de 1 stéradian.

CANDELA : Unité d'intensité lumineuse équivalent à l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 x 1012 Hz, et dont l'intensité énergétique dans cette direction est 1/683 W par stéradian.
(le stéradian est une unité d'angle solide équivalant à l'ouverture d'un cône ayant son sommet au centre d'une sphère de rayon r et délimitant à sa surface une aire égale à r2).

Ce qu'il faut en comprendre : Le lumen sert de référence pour mesurer la quantité de lumière émise et permet de comparer les lampes et leur rendement. Il est utilisé lorsque la lampe emet de la lumière dans toute les directions. Pour une lampe avec reflecteur qui dirige le flux lumineux, on préfère utiliser le candela. Ainsi, voici un tableau comparatif de quelques grandeurs :

type volt watt     type volt watt  
lampe standard 230V 100W 1360lm lampe dichroïque 38° 12V 50W 1450cd
lampe krypton 230V 100W 1420lm lampe dichroïque 10° 12V 50W 7800cd
lampe halogène crayon 230V 100W 1600lm lampe PAR 16 50° 230V 50W 750cd
lampe halogène crayon 230V 1000W 22000lm lampe PAR CP61 230V 1000W 270000cd
lampe de projecteur 'classique' CP70 230V 1000W 26000lm lampe PAR CP62 230V 1000W 125000cd
lampe projecteur 5kW 230V 5000W 135000lm        
lampe torche 2,8V 2,4W 35lm        

LE LUX est utilisé pour mesurer l'éclairement, c'est à dire la quantité de lumière que recoit une surface:

Unité d'éclairement (symbole lx). 1 lux est l'éclairement d'une surface placée à 1 m d'une source de lumière dont l'intensité est de 1 candela (1 lux = 1 lumen/m2 = 10-4 phot).

la fluorescence :

Le principe de la fluorescence
On produit une décharge électrique dans un tube de verre contenant une vapeur de mercure basse pression, ce qui provoque un phénomène de luminescence, principalement dans l'ultraviolet, et donc faiblement visible.
C'est une poudre électro-luminescente, qui recouvre l'intérieur du tube de verre, qui transforme ce rayonnement en lumière visible selon le principe de la fluorescence.

Pour fonctionner, les tubes nécessitent un starter pour l'allumage, un ballast pour entretenir la décharge et stabiliser le courant, et un condensateur de compensation pour éliminer les parasites et corriger le facteur de puissance (cos f).

à suivre...