Domestiquer la lumière

Des lampes à incandescence aux lampes à fluorescence
Auteurs : Travail collectif(plus d'infos)
Résumé :
Chapitre de Sabine LAURENT, issu de Graines de Sciences 9, paru aux éditions Le Pommier en juillet 2008
Publication : 21 Juillet 2008

Nous abordons maintenant la deuxième partie de cet exposé par un indice : à quoi vous fait penser l’expression « chauffer à blanc » ? Au métal que l’on chauffe dans les forges pour fabriquer des outils ! Le métal, en chauffant, émet d’abord une lumière rouge puis prend une teinte de plus en plus blanche et intense au fur et à mesure que sa température augmente. L’idée d’utiliser un métal pour produire une source de lumière est attractive, mais comment porter et, plus encore, maintenir un métal à une température suffisamment élevée pour qu’il émette de la lumière blanche ?
La réponse apparaîtra progressivement grâce à la découverte de l’électricité et, surtout, des moyens permettant de la produire. Cette découverte ne s’est pas faite en un jour et fut le résultat de la curiosité et des recherches expérimentales d’un grand nombre de personnes. Nous admettrons les grandes lignes de cette histoire en insistant seulement sur certains phénomènes, ce qui nous permettra de comprendre les évolutions observées dans la conception des lampes aux xixe et xxe siècles.
Cette deuxième partie présente tout d’abord l’apport de la découverte de la pile électrique dans l’élaboration des lampes à incandescence. Elle relate ensuite en quoi certaines expériences visant à mieux comprendre les phénomènes électriques, ont amené à la découverte des lampes à fluorescence.

En 1800, le comte Alessandro Volta découvre le principe de la pile chimique. Il sépare deux disques, l’un en cuivre, l’autre en zinc, par un morceau de tissu imbibé de saumure et constate l’apparition d’un courant électrique quand il relie les deux disques par un fil métallique.
Faites l’expérience de relier les deux bornes d’une pile de 4,5 V à un fil de cuivre non gainé et fin. Vous constaterez immédiatement que le fil est très chaud. Attention à ne pas vous brûler ! L’expérience provoque une décharge très rapide de la pile, il faut donc la faire rapidement.
De la même façon, les expérimentateurs du XIXe siècle constatent que les métaux chauffent au passage d’un courant. On appelle ce phénomène l’« effet Joule » . Les métaux, bien que très bons conducteurs d’électricité, « résistent » au passage du courant. Nous savons aujourd’hui que le courant électrique est un flux de particules appelées « électrons ». On peut voir cette résistance au courant comme une force de frottement qui empêche le mouvement libre des électrons dans le métal. Comme toute force de frottement, celle-ci induit un échauffement du matériau (souvenez-vous du bras qui s’échauffe quand on le frotte). Pourquoi alors ne pas utiliser ce phénomène pour porter à haute température un bout de métal et s’en servir comme lampe ?
Dans l’expérience précédente, le fil de cuivre relié aux bornes de la pile n’émettait pas de lumière. Pourquoi ? Quelles hypothèses pourrions-nous avancer ?

  •  le courant n’était probablement pas assez fort ;
  •  le cuivre n’est peut-être pas le métal le plus adapté pour émettre de la lumière « facilement », c’est-à-dire en utilisant un courant électrique le plus faible possible.

Ces deux hypothèses méritent qu’on mène des expériences pour les vérifier ou les contredire. C’est ce qu’ont fait les scientifiques. Ils ont comparé les métaux entre eux et étudié leur échauffement au passage d’un courant et constaté qu’effectivement, il faut un courant bien plus important que celui fourni par notre pile pour observer l’émission de lumière. Le tungstène, notamment, émet une intense lumière blanche lorsqu’il est parcouru par un courant suffisant (page suivante). Mais ils ont aussi constaté que le tungstène se dégrade au cours du temps : il subit une combustion.
Que pourrions-nous tenter pour empêcher cette combustion ? Placer le tungstène dans un gaz différent de l’air afin de prévenir la combustion !
On comprend ainsi comment l’idée de l’ampoule à filament de tungstène est née. L’ampoule a pour premier rôle d’enfermer le tungstène dans une atmosphère sans oxygène. Elle empêche aussi qu’on touche le fil et donc qu’on s’électrocute. Ces ampoules apparaissent au début du XXe siècle.
Ce type de lampe fonctionne toujours sur le principe selon lequel pour émettre de la lumière, il faut élever la température d’un corps. Il n’y a plus en revanche, de combustion. On appelle ces lampes des « lampes à incandescence ».

Les lampes à fluorescence

Nous allons voir maintenant en quoi l’étude des phénomènes électriques au XIXe siècle va permettre indirectement d’inventer un autre type de lampes : les lampes à fluorescence. Pour comprendre comment celles-ci sont apparues, il faut se placer à nouveau dans l’esprit des découvreurs de l’électricité, aux XVIIIe et XIXe siècles.
Sans rien connaître des phénomènes électriques, que pouvons-nous en dire ? Dans quelles circonstances les observons-nous ?

  •  par temps d’orage, on constate l’apparition d’éclairs dans le ciel. Ces éclairs sont d’ailleurs sources de lumière ;
  •  on observe le même phénomène d’éclairs « en miniature » (on parlera alors plutôt d’« étincelles ») en remuant de la laine ou quand, parfois, une décharge apparaît entre deux personnes juste avant qu’elles se touchent ;
  •  on constate de même qu’en frottant énergiquement une cuillère en plastique sur de la laine, la cuillère attire ensuite les petits objets, comme des grains de poivre (voir « L’électromagnétisme », par Jean Matricon, dans Graines de sciences 8).

Ces phénomènes n’apparaissent pas systématiquement et dépendent de multiples facteurs difficilement identifiables. Pour les comprendre, les scientifiques se sont attelés à les reproduire en concevant des expériences dans lesquelles ils changeaient un facteur et observaient la conséquence de ce changement.
Par exemple, dès le XVIIe siècle, Otto von Guericke fabrique une boule de soufre qu’il dispose sur un axe tournant. En appuyant un chiffon sur la boule mise en rotation rapide, il constate le même phénomène que celui que nous avons observé avec la cuillère en plastique frottée sur de la laine : le soufre attire les petits objets. Otto von Guericke va plus loin : il approche des objets métalliques de la boule et constate qu’une étincelle se produit quand l’objet en métal est suffisamment proche de la boule.

Cet exemple de « machine électrostatique » sera suivi par beaucoup d’autres aux XVIIIe et XIXe siècles et une étude intensive des conditions d’observation des phénomènes électriques sera menée. Le premier champ d’investigation concernera la charge électrique. Qu’est-ce que c’est ?
À l’échelle macroscopique, les individus se distinguent par leur taille, leur masse, la couleur de leurs cheveux, la forme de leur visage, etc. On pourrait ajouter à ces critères la charge électrique : si vous touchez une voiture et qu’une décharge apparaît, cela signifie que la voiture et vous-même étiez « chargés » différemment. Comment interpréter ce terme ? L’étincelle est apparue pour annuler une différence et on va parler de différence de « charge ».
La charge électrique est une propriété des objets à laquelle on ne pense pas car la plupart du temps, les objets qui nous entourent et nous-mêmes ne sommes pas différents en termes de charges électriques et aucun phénomène électrique ne se produit alors. Seule une action particulière comme le frottement permet éventuellement de les observer.
Il faudra plus d’un siècle d’expériences pour découvrir que la charge est une propriété qui existe essentiellement à une échelle inférieure à la taille d’un atome. Deux des trois particules qui constituent l’atome sont toujours chargées : l’électron et le proton. Il faut voir la charge comme une des propriétés (au même titre que la masse, etc.) qui distinguent l’électron du proton. Cette différence de charge fait que ces deux particules s’attirent et, du coup, restent « proches » l’une de l’autre et forment l’atome. Nous admettrons en revanche que deux électrons se repoussent entre eux, et il en est de même pour deux protons. On distingue deux types de charges : les charges « positives » (comme dans les protons) et les charges « négatives » (comme dans les électrons). Les charges positives se repoussent entre elles ; les charges négatives aussi. Une charge positive et une charge négative s’attirent en revanche entre elles. Tous les phénomènes électriques reposent donc sur cette simple propriété : le courant électrique est, par exemple, constitué d’électrons mis en mouvement dans la direction où existent des charges positives car, portant une charge négative, ils sont attirés par ces charges positives.
À l’échelle macroscopique, les objets possèdent autant de charges positives que de charges négatives. On dit qu’ils sont « neutres ». Il n’y a pas alors de phénomènes électriques. Les forces de répulsion ou d’attraction électriques se compensent entre elles et seule une action particulière comme le frottement détruit la neutralité.
Si l’on frotte une cuillère en plastique avec de la laine, que se passe-t-il ? Des électrons sont arrachés à la laine et se retrouvent sur la cuillère en plastique. La cuillère présente alors un excès de charges négatives par rapport aux charges positives. Elle va donc attirer les charges positives environnantes, par exemple celles présentes dans un grain de poivre. C’est pour cela que les grains de poivre s’attachent à la cuillère.

Revenons aux éclairs. On sait depuis l’expérience d’Otto von Guericke qu’une manière d’observer un éclair consiste à charger un objet et à approcher un métal suffisamment près de cet objet. Quelles expériences complémentaires pouvons-nous faire pour identifier les conditions nécessaires pour les observer ?

  •  changer la nature des objets : essayer le bois, différents métaux, etc. ;
  •  changer la quantité de charge en frottant plus ou moins les objets ;
  •  si l’on pense aux orages, on peut imaginer que certaines conditions atmosphériques sont plus favorables que d’autres à l’apparition d’éclairs. On pourrait donc tenter de changer la température de la pièce, son taux d’humidité, voire de se placer dans une atmosphère artificielle composée d’autres gaz que ceux de notre atmosphère.

On compare alors les résultats de chaque expérience, on en tire des conclusions et on élabore de nouvelles expériences pour vérifier les conclusions obtenues.
La lampe fluorescente est née de ces expériences. Antoine Becquerel fut le premier à en fabriquer une au milieu du XIXe siècle. Qu’est-ce qu’une lampe à fluorescence ? C’est une enceinte traversée par des éclairs et qui renferme un gaz particulier et un matériau dit « fluorescent ». L’éclair dans l’enceinte est la manifestation visible du passage d’un courant électrique. Par la suite, ce courant sera qualifié plus justement d’« arc électrique ».
Le gaz peut être du néon, de l’argon ou du sodium (les tubes néon  du commerce sont des lampes à fluorescence). Les expérimentateurs remarquèrent que le néon émet, lorsqu’il est parcouru par un courant électrique, une lumière rouge. L’argon émet quant à lui une lumière bleu et vert, etc.
Quel est le rôle du matériau fluorescent ? Un matériau est dit « fluorescent » quand, éclairé par une lumière d’une certaine couleur (généralement dans le violet ou l’ultraviolet), il émet un rayonnement ayant une couleur différente. C’est par exemple le cas du phosphore. Le matériau fluorescent permet d’obtenir une couleur plus agréable pour l’éclairage. En pratique, les néons du commerce émettent une lumière blanche du fait de leur matériau fluorescent.
Quel est le principal avantage de cette lampe par rapport aux lampes à incandescence ? Le néon chauffe peu en comparaison. En effet, la production de lumière dans une lampe à fluorescence n’est pas due au phénomène d’incandescence, mais au passage d’un courant électrique dans une enceinte remplie de gaz, phénomène qui produit peu de chaleur.

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