Domestiquer la lumière

Lumière et énergie
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

À la fin du XIXe siècle, les villes passent à l’éclairage électrique. Les lampes à incandescence et à fluorescence supplantent les lampes à combustion. Nous abordons maintenant la dernière partie de ce chapitre, qui s’attache à répondre à cette question : quel phénomène se produit-il au sein des atomes pour produire de la lumière ? En y répondant, nous pourrons comprendre le principe de fonctionnement des diodes électroluminescentes (DEL). Nous introduirons cette partie par une discussion sur la notion d’énergie en nous aidant de ce que nous savons sur la production d’énergie dans les centrales hydrauliques. Cette discussion nous permettra de comprendre qualitativement que l’émission de lumière est, avant toute chose, un processus d’échange d’énergie. En étudiant ce processus d’échange, nous aurons une idée qualitative de ce qui fait la spécificité des DEL par rapport aux autres lampes.

Partons d’une constatation essentielle. Quelle que soit la source de lumière, à combustion, à incandescence ou à fluorescence, la production de lumière nécessite que l’on fournisse de l’électricité ou de la chaleur. Plus précisément, nous pouvons affirmer que la production de lumière requiert un apport d’énergie. Mais comment se faire une idée plus intuitive de ce qu’on appelle l’« énergie » ?
On va s’intéresser pour cela à la production d’électricité dans une centrale hydraulique. Que sait-on sur son fonctionnement ?

  •  elle est composée de turbines qui tournent sous l’action de la poussée de l’eau qui tombe ;
  •  elle possède d’immenses aimants : ces turbines sont donc soumises à un champ magnétique.

Parmi la frénésie d’expériences menées au XIXe siècle, Michael Faraday et James Clerk Maxwell découvrent le phénomène de l’induction : quand un fil métallique, formant une boucle fermée, est mis en mouvement en présence d’un aimant, un courant électrique apparaît dans le fil.


Illustration du phénomène d'inuction : le courant électrique n'existe que lorsque l'aimant est en mouvement, ce qui permet d'allumer la lampe.
 

Les turbines de la centrale hydraulique jouent le rôle du fil. Elles sont mises en mouvement par la chute de l’eau et leur voisinage immédiat avec les aimants provoque l’apparition d’un courant électrique. Admettons ce phénomène sans l’expliquer, retenons simplement que pour produire de l’électricité dans une centrale hydraulique, il faut de l’eau qui tombe, et revenons à la notion d’énergie.
Imaginons un lac de montagne équipé d’un barrage électrique. Si le lac était vide et que nous devions le remplir seau après seau en partant du bas de la montagne, il faudrait fournir un travail gigantesque, qui nécessiterait la force de nombreux bras et beaucoup d’énergie. Pourquoi serait-ce difficile ? Parce que nous devrions vaincre la force de pesanteur pour transporter l’eau du bas vers le haut. Retenons donc ce premier point : il faut fournir de l’énergie à l’eau pour lui permettre de faire tourner les turbines et ainsi de produire de l’électricité.
Cette eau, une fois tombée, possède-t-elle la même énergie que quand elle était en haut ? Non, elle l’a perdue puisqu’elle ne peut plus faire tourner les turbines. Pour qu’elle en récupère, il faut qu’on lui en communique à nouveau, par exemple en la transportant en haut du barrage. Et alors, qui perd de l’énergie ? Les porteurs de seaux !
L’énergie est donc une grandeur qui passe des porteurs d’eau à l’eau puis à l’électricité. C’est le courant électrique qui possède finalement cette énergie.

En pratique, quel est le phénomène qui nous évite de remplir le lac nous-mêmes avec des seaux ? C’est l’évaporation, provoquée par les rayons du soleil, qui transforme l’eau liquide en vapeur d’eau, laquelle se retrouve sous forme condensée dans les nuages avant de se déverser sous forme de pluie ou de neige sur les montagnes. Mais cela coûte-t-il de l’énergie au soleil ? Oui ! Les rayons du soleil possèdent une certaine énergie qu’ils communiquent à l’eau, lui permettant de chauffer jusqu’à évaporation et ensuite de vaincre la force de pesanteur pour monter au-dessus des montagnes. Cette même énergie du rayonnement est à l’origine des brûlures dues aux coups de soleil ou encore de la photosynthèse, processus au cours duquel l’énergie lumineuse est utilisée par les plantes pour produire de la matière.
En conclusion, pour faire quelque chose, il faut communiquer de l’énergie. Pour produire de la lumière, il faut donc communiquer de l’énergie, laquelle est ensuite transmise au rayonnement lumineux émis.
Revenons à la lampe à fluorescence avec ces considérations en tête. Nous savons maintenant que le courant (ou encore l’« arc électrique ») traversant la lampe possède une certaine énergie. Celle-ci est en partie transmise aux atomes du gaz et ces derniers restituent tout ou partie de cette énergie à la lumière qu’ils émettent. Comment s’effectue le transfert d’énergie entre les électrons du courant électrique, les atomes de gaz (néon, argon, mercure) et la lumière émise ? Souvenons-nous de l’énergie de l’eau : l’eau possède une certaine énergie du fait qu’on s’est opposé à la force de pesanteur, laquelle force la maintenait à l’altitude la plus basse possible. Contre quelle force peut-on s’opposer pour communiquer de l’énergie à l’atome ? La force d’attraction entre les électrons et les protons des atomes du gaz.
Que se passe-t-il alors ? De même qu’on transportait l’eau à une altitude plus élevée, on éloigne dans l’atome les électrons des protons. Plus l’énergie communiquée à l’atome est grande et plus les électrons s’éloignent des protons. Dans les lampes à fluorescence, les collisions qui se produisent entre les atomes du gaz et les électrons de l’arc électrique permettent un transfert d’énergie entre ces électrons et les atomes du gaz (de même que lorsqu’on pousse un chariot, on lui communique une certaine énergie). Ces derniers reçoivent donc de l’énergie qui permet d’écarter temporairement les électrons des protons. Quand ceux-ci retournent à leur position initiale, ils libèrent de l’énergie qu’ils communiquent sous forme de rayonnement, comme l’eau libère son énergie en la communiquant à la turbine. Dans une lampe à fluorescence, l’énergie du rayonnement émis par le gaz est élevée : elle permet d’écarter à son tour les électrons des protons dans le matériau fluorescent. Dans ce matériau, une fraction de l’énergie gagnée par les électrons est perdue sous forme de chaleur. Le reste est réémis sous forme de rayonnement, dont l’énergie sera du coup moins forte que celle du rayonnement précédent. Le rayonnement finalement émis est un mélange des couleurs de l’arc-en-ciel et la couleur résultante est le blanc.

Quand les atomes émettent de la lumière…

Nous en savons maintenant suffisamment pour aborder le dernier point et accéder à une description qualitative de la spécificité des DEL. À la fin du XIXe siècle, les expérimentateurs décomposent la lumière émise par les lampes en ses différentes couleurs à l’aide d’un élément dispersif : on parle de « spectroscopie ». C’est exactement ce qui se passe dans un arc-en-ciel : les différentes couleurs des rayons du soleil sont séparées grâce aux gouttelettes d’eau présentes dans l’atmosphère. Ces dernières jouent le rôle d’éléments dispersifs. Nous pouvons faire la même expérience à condition de disposer d’un réseau de diffraction : c’est une lame sur laquelle on a percé ou gravé de fentes très fines (environ 600 fentes par millimètre), régulièrement espacées et très proches les unes des autres (ci-dessous). Les CD utilisés pour écouter de la musique ont cette propriété et on peut effectivement observer en les regardant une décomposition de la lumière en ses différentes couleurs (ci-contre).

 

En disposant d’une lampe, d’une lentille de verre convergente et d’un réseau, on peut observer la décomposition de la lumière émise par la lampe en chacune de ses couleurs. Réalisons l’expérience dans l’obscurité avec une lampe à vapeur de mercure ou, à défaut, avec une lampe basse consommation, qui est également une lampe à fluorescence contenant de la vapeur de mercure.
On constate sur la photo (ci-dessous, à gauche) que la lampe à vapeur de mercure, bien qu’émettant en apparence une couleur bleu-violet, émet plusieurs couleurs : du violet, du bleu, du vert et de l’orange. Contrairement aux couleurs de l’arc-en-ciel, chaque couleur émise par la lampe est nettement séparée des autres sur la feuille de papier. C’est pourquoi on parle de « spectre de raies ». Il y a un nombre limité de couleurs observables.
Dans un arc-en-ciel, on observe en revanche une infinité de couleurs, sans séparation entre elles (ci-dessous, à droite). On passe continûment du violet au bleu, puis au vert, etc., jusqu’au rouge. Si nous effectuions l’expérience avec une lampe à incandescence (à filament de tungstène), nous retrouverions cette infinité de couleurs. Dans ce dernier cas, on peut voir le spectre comme possédant une infinité de raies indiscernables les unes des autres. L’ensemble donne une impression de continuité des couleurs.

L’émission de couleurs bien discernables par la vapeur de mercure est une propriété intrinsèque des atomes de mercure. Pourquoi le mercure n’émet-il que certaines couleurs et quel est le lien entre la couleur et l’énergie émise ? On peut établir une correspondance avec l’observation de la bougie menée précédemment. Quand vous observez les différentes couleurs de la flamme d’une bougie (ci-contre), quelle couleur parmi le jaune, l’orange et le bleu vous paraît la plus chaude, c’est-à-dire la plus énergétique ? De la même manière, avez-vous déjà observé le changement de couleur d’un four à pain quand il est chauffé de plus en plus ? Il passe du noir au rouge puis au jaune et enfin au blanc. Le blanc n’est que la superposition de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. Quand la température du four augmente, vert, bleu et violet s’ajoutent donc aux autres couleurs pour donner naissance au blanc. Il a donc fallu communiquer plus d’énergie au four pour qu’il émette ces trois dernières couleurs (on sait qu’elles apparaissent car on n’observerait pas, sans elles, du blanc). On comprend à partir de ces considérations que le violet est la couleur la plus énergétique du spectre visible. Viennent ensuite le bleu, puis le vert, puis le jaune, puis le rouge. Le bleu de la flamme est la partie la plus chaude.
Quand un atome de mercure émet du violet, cela veut donc dire qu’on a communiqué une énergie plus grande à l’atome que quand il émet de l’orange. Les électrons se sont davantage écartés des protons de l’atome dans le premier cas que dans le second.

 

Mais pourquoi le mercure n’émet-il que certaines couleurs et pas d’autres ? Si l’on reprend notre analogie avec l’énergie de l’eau, c’est tout à fait incompréhensible. L’eau peut tomber de n’importe quelle hauteur et donc libérer n’importe quelle valeur d’énergie. Pourquoi n’en est-il pas de même pour l’atome ?
Cette question était une énigme scientifique majeure au début du XXe siècle car les théories de la mécanique classique du xixe siècle sont en contradiction avec cette observation expérimentale. En 1913, le physicien Niels Bohr, propose somme toute d’admettre cette observation et de construire la physique décrivant le comportement des électrons dans les atomes à partir de là. Il affirme que les électrons de l’atome ne peuvent avoir que certaines valeurs d’énergie, qui sont spécifiques à chaque élément chimique. On dit que chaque atome est caractérisé par ses « niveaux d’énergie » : les électrons ne peuvent être que sur ces niveaux d’énergie. C’est une idée révolutionnaire et tout à fait contre-intuitive. Si l’eau avait la même propriété, elle ne pourrait être qu’à certaines altitudes (ou niveaux). La raie lumineuse émise lorsqu’un électron tombe d’un niveau d’énergie donné vers un niveau inférieur possède une énergie et donc une couleur bien précises. Cette énergie est tout simplement la différence entre les niveaux d’énergie initial et final de cet électron. On comprend dès lors que les atomes n’émettent que certaines couleurs. Les travaux de Bohr sont précurseurs de l’avènement de la mécanique quantique.

Et la DEL dans tout ça ?

Dans une DEL, on joue astucieusement avec les niveaux d’énergie des atomes. Le matériau constituant une DEL est complètement artificiel : ses atomes ont été choisis et arrangés les uns par rapport aux autres de telle sorte que l’on puisse contrôler la valeur des niveaux d’énergie du matériau. On contrôle ainsi la différence d’énergie entre ces niveaux et donc la couleur émise par la DEL. C’est pour cela que l’on rencontre dans le commerce des DEL rouges, bleues, vertes, etc.
L’avantage de la DEL et des lampes basse consommation par rapport aux lampes à incandescence réside dans leur rendement énergétique. Dans le cas des lampes à incandescence, une grande partie de l’énergie est perdue sous forme de chaleur. Dans le cas des DEL, ce phénomène est beaucoup moins marqué ; grâce au contrôle de l’arrangement des atomes, l’énergie du courant électrique qui traverse de telles lampes est très efficacement transférée aux atomes et ensuite au rayonnement lumineux et ne sert que faiblement à échauffer la structure. Un autre avantage est leur durée de vie, en moyenne dix fois plus longue que celle des lampes à incandescence.

Bibliographie

  • Richard Feynman, Lumière et matière, éd. du Seuil, « Points Sciences», 1992.
  • Alain Bouquet, Pourquoi n’y a-t-il pas d’étoiles vertes ?, Le Pommier, « Les Petites Pommes du savoir », 2003.


 

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