VI) Principes physiques des sources lumineuses
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Sommaire des Ondes Les ONDES _____________________________________________________________________________ 3 I) Les ondes __________________________________________________________________________________ 3 I.1) Ondes progressives _________________________________________________________________________________ I.1.1) Exemples ______________________________________________________________________________________ I.1.2) Caractéristiques d’une onde ______________________________________________________________________ I.1.3) Analyse mathématique __________________________________________________________________________ I.2) Ondes progressives sinusoïdales : ______________________________________________________________________ I.3) Ondes stationnaires: ________________________________________________________________________________ I.4) Spectre d’une onde : ________________________________________________________________________________ I.5) Spectre d’un capteur : _______________________________________________________________________________ 3 3 3 4 5 6 7 7 II) Optique géométrique _______________________________________________________________________ 8 II.1) Généralités: _______________________________________________________________________________________ 8 II.2) Réflexion, transmission, absorption: ___________________________________________________________________ 9 II.3) Réflexion _________________________________________________________________________________________ 9 II.4) Réfraction ________________________________________________________________________________________ 9 II.4.1) Lois de la réfraction _____________________________________________________________________________ 9 II.4.2) Décomposition de la lumière ____________________________________________________________________ 10 II.4.3) Réflexion totale: ______________________________________________________________________________ 10 II.4.4) Les mirages __________________________________________________________________________________ 11 II.5) Diffusion ________________________________________________________________________________________ 11 II.6) Applications _____________________________________________________________________________________ 12 II.6.1) Miroir _______________________________________________________________________________________ 12 II.6.2) Lentilles _____________________________________________________________________________________ 12 II.6.3) Fibre optique _________________________________________________________________________________ 14 III) Optique ondulatoire _______________________________________________________________________ 17 III.1) Généralités: _____________________________________________________________________________________ III.2) Diffraction: ______________________________________________________________________________________ III.2.1) Diffraction par une fente:_______________________________________________________________________ III.2.1) Diffraction par un cheveu: ______________________________________________________________________ 17 18 18 18 IV) Photométrie _____________________________________________________________________________ 19 IV.1) La vision ________________________________________________________________________________________ IV.2) L’œil humain: ____________________________________________________________________________________ IV.2.1) Descriptif de l’oeil: ____________________________________________________________________________ IV.2.1) L’œil capteur de luminosité: les bâtonnets _________________________________________________________ IV.2.1) L’œil capteur de couleur: les cônes _______________________________________________________________ IV.3) La photométrie: __________________________________________________________________________________ IV.4) Grandeurs lumineuses: ____________________________________________________________________________ IV.4.1) Notion d’angle solide: _________________________________________________________________________ IV.4.2) Introduction:_________________________________________________________________________________ IV.4.3) Les grandeurs: _______________________________________________________________________________ 19 19 19 19 20 20 21 21 21 21 V) Synthèse des couleurs ______________________________________________________________________ 25 VI) Principes physiques des sources lumineuses ___________________________________________________ 26 VI.1) Sources de lumières utilisant la chaleur : Thermorayonnance _____________________________________________ VI.1.1) Biblios ______________________________________________________________________________________ VI.1.2) Caractéristiques ______________________________________________________________________________ VI.1.3) Ampoules à incandescence _____________________________________________________________________ VI.2) Sources de lumières utilisant la Luminescence _________________________________________________________ VI.2.1) Caractéristiques des diverses luminescences _______________________________________________________ VI.2.2) Les lampes à décharge _________________________________________________________________________ VI.2.3) Lampes à LED ________________________________________________________________________________ VI.2.4) Lasers ______________________________________________________________________________________ VI.3) Analyse des sources lumineuses _____________________________________________________________________ Sommaire des Ondes 26 26 26 27 28 28 30 35 36 37 1/47 VI.3.1) Analyse spectrale par spectromètre ______________________________________________________________ 37 VI.3.2) Analyse de la répartition spatiale du flux __________________________________________________________ 38 VI.4) Lasers __________________________________________________________________________________________ 39 VII) Caractéristiques des lampes ________________________________________________________________ 39 VII.1) Le triplet Emetteur – Objet – Récepteur ______________________________________________________________ VII.2) Efficacité énergétique ____________________________________________________________________________ VII.3) Température de couleur __________________________________________________________________________ VII.4) Indice de rendu des couleurs (IRC) __________________________________________________________________ VII.5) Diagramme d’intensité ____________________________________________________________________________ VII.6) Données techniques ______________________________________________________________________________ VII.7) Comparatif des types de lampes ____________________________________________________________________ VII.8) Recommandations d’éclairages _____________________________________________________________________ 39 39 40 41 43 44 44 45 VIII) Applets ________________________________________________________________________________ 46 IX) Bibliographie _____________________________________________________________________________ 47 Sommaire des Ondes 2/47 Les ONDES I) Les ondes Le transport de l’énergie et de la quantité de mouvement se fait uniquement par deux mécanismes fondamentaux : des particules qui se déplacent ou des ondes qui se propagent. Et même ces deux conceptions apparemment différentes sont subtilement liées ; il n’y a pas d’ondes sans particules et pas de particules sans ondes. En tant que vecteur de l’énergie et de l’information, les ondes interviennent dans un grand nombre de systèmes industriels comme les fibres optiques, les émetteurs, antennes et récepteurs radio, les systèmes d’analyses dimensionnelles ou d’analyses de défauts … On construit des appareils spécifiques pour les guider ou modifier leur trajectoire. Enfin, elles génèrent des défauts de fonctionnement contre lesquels il faudra lutter : vibrations dans les solides, perturbations électromagnétiques … Le but de chapitre est de définir les caractéristiques générales des ondes progressives. On s’arrêtera tout particulièrement sur l’optique, la science qui étudie les ondes lumineuses et les instruments associés. I.1) Ondes progressives I.1.1) Exemples On considère une corde horizontale ayant une extrémité fixe. Sur l’autre extrémité, on donne un coup sec vers le haut. La corde se déforme. On constate que cette déformation se propage le long de la corde. Cette déformation constitue un signal (ou une information) ; il n’y a pas de déplacement de matière. Il est transversal car il est perpendiculaire à la corde qui matérialise la direction de propagation. La vitesse de déplacement le long de la corde ne dépend pas du signal. x t1 t2 v t3 x t2 t1 t4 On peut distinguer deux types d’ondes : les ondes longitudinales et les ondes transversales I.1.2) Caractéristiques d’une onde Une onde est un ébranlement qui se propage dans un champ ou dans un milieu matériel La propagation d'un signal nécessite : -un signal: modification temporaire d'une propriété du milieu. -un milieu pouvant transmettre cette modification. Ce qui correspond à un transport d'énergie (qui peut être partiellement dissipée = amortissement ou atténuation du signal)) La propagation d'une grandeur se fait sans transport de matière. La propagation est la transmission de proche en proche de la modification dans le milieu. La vitesse de propagation dépend de la nature du signal et du milieu de propagation Sommaire des Ondes 3/47 Exemples de propagation: Signal Milieu Déformation d'une corde, d'un Milieu élastique. ressort, échelle de perroquet. Son Milieu matériel: air (331,45 m/s ), eau (1493 m/s) ,; helium (965 m/s) et dans le fer ( 5950 m/s). Lumière Vide, air, milieux transparents. Grandeur Variation de tension, de compression ou variation de torsion. Variation de pression Variations du champ électromagnétique I.1.3) Analyse mathématique I.1.3.1) Expression mathématique d’un phénomène propagatif Deux manières de voir le phénomène sont possibles : Cas a) : prendre deux instantanés à t=0 et à instant t du signal s(x,t) se propageant suivant un axe x Cas b) : Observer en deux points différents l’évolution du signal au cours du temps Cas a) Cas b) Si l’on observe le signal à deux instants : 0 et t. Si l’on observe le graphique suivant en deux points 0 et x au cours du temps. signal : s(x,0) signal : s(0,t) Propagation à célérité c signal : s(x,t) x x1 x0 signal : s(x,t) x = ct t t1 t0 t = x/c Propagation à célérité c x0 x x1 t t1 t0 Le signal s’est déplacé d’une distance x = ct donc le signal que l’on avait à t=0 : s(x,0) est identique à celui obtenu à l’instant t sauf qu’il est décalé de x. Le signal est vu par les deux points 0 et x mais décalés dans le temps de t = x/c L’expression de s(x,t) est donc de la forme s(x-ct) L’expression de s(x,t) est donc de la forme s(t-x/c) signal : s(0,t) signal : s(x1,t) t signal : s(x2,t) t t = x/c x1 x = c.t x2 Propagation à célérité c x Une grandeur qui se propage constitue une onde progressive. s(x,t)=s(t-x/c) correspond à une propagation dans le sens des x croissants. s(x,t)=s(t+x/c) correspond à une propagation dans le sens des x décroissants. Sommaire des Ondes 4/47 I.1.3.2) Période temporelle T et spatiale d’une onde Un phénomène vibratoire est une onde qui possède deux périodicités. En effet, si les signaux sont émis périodiquement de période T (s) (à laquelle correspond une pulsation ), ils se propagent le long de la corde avec une vitesse c (c= Relation fondamentale : c : célérité de la lumière dans le vide vitesse ou célérité de la propagation (m/s)). c = 300 000 km.s-1 = 3 108 m.s-1 c cT : longueur d’onde (m) La distance entre deux déformations est alors f T : période (s) = cT appelée longueur d’onde (m). : fréquence (Hz) Instantané du signal à l’instant t0 Observation du signal au cours du temps en x0 signal : s(x) signal : s(t) Longueur d’onde : unité : m Période :T unité : s Sens de propagation x Périodicité spatiale: longueur d'onde en m. On regarde la direction de propagation à un instant t. Certains points du milieu sont dans le même état vibratoire. Deux points consécutifs, dans le même état vibratoire sont séparés par une longueur d'onde. Longueur d'onde = distance parcourue par l'onde en une période. t Périodicité temporelle: T en s ou f en Hz. On se place en un point de la direction de propagation et on observe le mouvement en fonction du temps. I.2) Ondes progressives sinusoïdales : C’est un cas particulier d’onde progressive. Le signal transmis est une sinusoïde. Instantané du signal à l’instant t0 signal : s(x) Sens de propagation x La fonction sinusoïdale présente un argument qui est une fonction linéaire de l’espace x et du temps. x 2 s( x, t ) Sˆ sin t avec 2 f et cT T c Autre notation courante : s( x, t ) Sˆ sin t kx avec k Exemple similaire en électrotechnique :le champ magnétique 2 appelé vecteur d’onde b( , t ) Bˆ cos e pt Bˆ cos p t créé dans l’entrefer d’une machine tournante (alternateur ou machine asynchrone) est donc une onde progressive sinusoïdale. Sommaire des Ondes 5/47 I.3) Ondes stationnaires: Ces ondes ne se propagent pas.(ondes stationnaires).Il y a des points qui ne vibrent pas , des points qui vibrent avec une amplitude maximum ou minimum... Chaque point a toujours la même amplitude de vibration. Une onde stationnaire = onde progressive + onde régressive de même amplitude, en effet : s( x, t ) g ( x ct ) f ( x ct ) S S sin(t kx ) sin(t kx ) S sin t cos kx 2 2 Onde progressive Onde stationnaire Onde régressive Il apparaît alors clairement que cette équation produit d’une fonction de l’espace fonction du temps S cos kx par une sin t faisant varier l’amplitude varie au cours du temps s nœud ventre x cos kx /2 Exemple : corde avec onde incidente et onde réfléchie. par ex : dans le cas d’une corde fixée aux extrémités La corde est fixe aux extrémités donc s(0,t)=0 et s(L,t) = 0 s( x, t ) S cos kx sin t m 2 cos( ) 0 imposent donc en combinant donc cos(kL ) 0 kL p 2 les deux équations : kL 2 m 2 k L m p p 2 Soit n 2L c et en combinant ce résultat et cT on obtient n n L On s’aperçoit que plusieurs solutions sont viables, les longueurs d’ondes et donc les fréquences correspondantes sont des multiples de la longueur de la corde, à chaque n correspond ce que l’on appelle un mode de vibration. c n x t n sin . L L c n x La superposition de tous les modes propres : s ( x, t ) S n cos n t n sin est solution. L L n 1 ainsi les modes propres sont caractérisés par : sn ( x, t ) Sn cos n 1/2 1=2L 1 n=1 c L 2=1/4 L n=2 2=2 1 3=1/6 n=3 Sommaire des Ondes 3=3 1 6/47 Exemple similaire en électrotechnique Le champ magnétique créé par un bobinage parcouru par un courant sinusoïdal b(t ) Bˆ cos t cos p est un exemple d’onde stationnaire. Il est la superposition de deux champs tournants en sens inverse.( deux ondes progressives se déplaçant en sens inverse.) I.4) Spectre d’une onde : Toute grandeur périodique de fréquence f, peut-être décrite par la somme de grandeurs sinusoïdales de fréquence multiple de la fréquence de la grandeur de départ : c’est la décomposition en série de Fourier. Donc une onde périodique peut être décomposée en série de Fourier. Nous appellerons spectre en fréquence la représentation graphique de la décomposition en série de Fourier de l’onde : intensité de l’onde en fonction de la fréquence. Dans le cas des ondes périodiques, on obtient un spectre de Fourier contenant uniquement les fréquences multiples ou les longueurs d’ondes sous-multiples du fondamental. Si l’onde n’est pas périodique le spectre de l’onde peut être un spectre continu ou un spectre de raies dont les valeurs de fréquences ou de longueurs d’ondes ne sont pas multiples ou sousmultiples. Si le spectre est constitué d’une fréquence ou d’une longueur d’onde unique, l’onde est de forme sinusoïdale. Spectre de bande d’un tube fluorescent I.5) Spectre d’un capteur : le spectre est l’ensemble des fréquences que le capteur peut restituer avec une bonne fidélité. Généralement, il s’agit d’un domaine de fréquence constituée d’une valeur basse, appelée fréquence de coupure basse du capteur fcb et d’une fréquence constituée d’une valeur haute, appelée fréquence de coupure hauteur fch du capteur. Le capteur est caractérisé par sa bande passante (BP) constituée de l’ensemble des valeurs de fréquences comprises entre fcb et fch. BP = fch – fcb Sommaire des Ondes 7/47 II) Optique géométrique II.1) Généralités: La lumière se propage dans le vide et dans les milieux transparents. Principe de propagation rectiligne: la lumière se propage en ligne droite dans le vide et dans tout milieu transparent homogène.(dans les milieux hétérogènes, il n'y a plus propagation rectiligne: mirages...) Corollaire : la direction de propagation cesse d’être une droite si la nature du milieu se modifie. C’est ce qui permet, notamment, d’expliquer les mirages. Principe de retour inverse de la lumière : les propriétés d’un faisceau lumineux sont indépendantes du sens de propagation. Ce principe permettra d’étudier les instruments d’optique à rebours du sens de propagation. Le modèle du rayon lumineux : On décrit la direction et le sens de propagation de la lumière par l’intermédiaire d’un rayon lumineux définit comme suit : le rayon est infiniment fin, il s’agit d’une droite orientée dans la direction de la propagation, le sens de propagation étant indiqué par une flèche sur le rayon. Attention le rayon lumineux n’est qu’un modèle pratique pour étudier les instruments d’optique. Il n’existe pas : il est impossible d’isoler un rayon lumineux par l’intermédiaire d’un diaphragme aussi réduit que l’on veut car les propriétés du faisceau sont limitées par un phénomène appelé diffraction. Lorsque la taille du diaphragme devient de l’ordre de la longueur d’onde le principe de propagation de la lumière devient faux. Vitesse de propagation de la lumière: c= 3.108 m/s dans le vide et dans l'air. La lumière est constituée de vibrations (rayonnement électro-magnétique: champ E et B) qui se propagent, c'est à dire d'ondes. Toutes ces vibrations se propagent à la même vitesse c dans le vide. Dans les autres milieux, la vitesse est différente pour chaque radiation. Chaque radiation a donc un indice de réfraction. Indice de réfraction n : caractéristique d’un milieu défini par le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide par sa vitesse dans le milieu homogène considéré. nvide = 1 c c et v en m.s-1 n nair 1 n sans dimension v nmilieu non vide > 1 Quelques valeurs d’indices optiques : Milieu Vide Air Eau Verre crown Verre flint Diamant Indice 1 1,00029 1,333 1,52 1,58 2,417 Chaque vibration a une fréquence f caractéristique de la couleur de la lumière observée. La lumière blanche est constituée d'une infinité de radiations de teintes différentes. f est spécifique de l'onde, elle est indépendante du milieu. v et dépendent du milieu traversé. Sommaire des Ondes 8/47 II.2) Réflexion, transmission, absorption: Ces trois phénomènes ont lieu lors d'un changement de milieu. La transmission est le passage de l'onde d'un milieu à un autre. La réflexion est le renvoi du signal, au niveau de la séparation des deux milieux, vers le milieu d'origine avec la même célérité et avec changement du sens de propagation. L'absorption est l'amortissement du signal par le second milieu .Il n'y a alors pas de propagation dans le second milieu. En général, ces trois phénomènes coexistent. II.3) Réflexion Renvoi de la lumière dans son milieu d’origine, par la surface de séparation des deux milieux, selon une direction privilégiée. 1ére et 2ème lois de Descartes pour la réflexion: -Le rayon réfléchi est dans le plan d'incidence. -L'angle d'incidence i est égal à l'angle réfléchi r. i1 = r II.4) Réfraction II.4.1) Lois de la réfraction Lors de la transmission d'un rayon lumineux d'un milieu à un autre, la direction de propagation change .C'est le phénomène de réfraction. Lois de Snell-Descartes relative à la réfraction (découvertes indépendamment par Snell (1580-1626) et Descartes (1596-1650).) Plan d’incidence : plan formé par le rayon incident et la normale à la surface au point d’incidence I. Sommaire des Ondes 9/47 Dioptre : surface de séparation des deux milieux transparents, à travers laquelle la lumière peut se réfracter. Le rayon incident, le rayon réfléchi et le rayon réfracté sont dans le même plan. Les angles se mesurent entre le rayon incident et la normale à la surface séparant deux milieux d'indices différents (n1 et n2) La relation liant i: angle d'incidence et i': angle du rayon réfracté est: n1 sin i1 = n2 sin i2 Normale au plan S Faisceau incident i1 N r R Faisceau réfléchi i2 T II.4.2) Décomposition de la lumière Remarque :n=c/v=f() ce qui explique la décomposition de la lumière par un prisme : II.4.3) Réflexion totale: Si n1>n2, pour i1 angle d'incidence > il tel que sin i1 = n2 / n1 , il y a réflexion totale. Toute la lumière est réfléchie, il n'y a plus de rayon réfracté. Ce phénomène est utilisé dans les fibres optiques, les fontaines lumineuses ... Si n1<n2, il y a toujours un rayon réfracté. n2 = n1 sin i1lim sin i1lim = Error! i1lim = arcsin Error! Si i1 > i1lim alors il y a réflexion totale. La réflexion totale est utilisée notamment dans les fibres optiques (voir exercice). Sommaire des Ondes 10/47 II.4.4) Les mirages II.5) Diffusion Renvoi de la lumière dans son milieu d'origine dans toutes les directions. Sommaire des Ondes 11/47 II.6) Applications II.6.1) Miroir A: objet réel. A': image virtuelle L'image A' est symétrique de A par rapport au miroir plan Le miroir donne toujours une image virtuelle d'un objet réel. II.6.2) Lentilles II.6.2.1) Propriétés Une lentille est un milieu limité par deux calottes sphériques ou, une calotte sphérique et une surface plane. L’axe principal () de la lentille s’appelle l’axe optique. On appelle centre optique le point d’intersection entre l’axe optique l’axe perpendiculaire à l’axe optique formé par l’intersection des deux calottes sphériques. On distingue les lentilles convergentes (à bords minces), et les lentilles divergentes (à bords épais) Biconvexe Plan convexe Ménisque convergent Lentilles convergentes Symbole Biconcave Plan concave Ménisque divergent Symbole Lentilles divergentes On appelle espace objet l’espace comprenant l’objet émetteur des rayons lumineux et limité par la lentille (il s’agit par convention de l’espace situé à gauche du centre optique). On appelle espace image, l’espace situé à l’opposé de l’espace objet (il s’agit par convention de l’espace situé à droite du centre optique). Toute image située dans l’espace image est dite réelle. De même tout rayon émergeant, tracé dans l’espace image sera réel donc tracé en traits pleins. Toute image située dans l’espace objet est dite virtuelle. De même tout rayon émergeant, tracé dans l’espace objet sera virtuel donc tracé en traits pointillés. Conditions de Gauss : Pour obtenir une image de bonne qualité, des conditions doivent être respectées : Les rayons lumineux doivent être faiblement inclinés par rapport à l'axe optique. Les rayons lumineux rencontrent la lentille au voisinage de sa région centrale. O est le centre optique de la lentille, tous les rayons passant par le centre optique ne sont pas déviés. 12/47 Sommaire des Ondes S1 S'2 O O S2 S'2 S1 S'1 S2 S'1 Tout rayon incident parallèle à l'axe optique émerge de la lentille en passant (ou semblant passer) par un point F'.Ce point F' est appelé le foyer image de la lentille .(figure et ) Tout rayon incident issu d'un point particulier (ou semblant y converger) émerge de la lentille parallèlement à l'axe optique .Ce point F est appelé le foyer objet de la lentille. .(figure et ) La distance OF ' =f' est appelée la distance focale (OF=OF') La vergence d'une lentille est la quantité inverse, elle s'exprime en dioptries : V = Error! O F' O Figure F Figure Sens de la lumière F O Figure Convergente F' O Figure Divergente II.6.2.2) Définitions On appelle espace objet l’espace comprenant l’objet émetteur des rayons lumineux et limité par la lentille (il s’agit par convention de l’espace situé à gauche du centre optique). On appelle espace image, l’espace situé à l’opposé de l’espace objet (il s’agit par convention de l’espace situé à droite du centre optique). Toute image située dans l’espace image est dite réelle. De même tout rayon émergeant, tracé dans l’espace image sera réel donc tracé en traits pleins. Toute image située dans l’espace objet est dite virtuelle. De même tout rayon émergeant, tracé dans l’espace objet sera virtuel donc tracé en traits pointillés. II.6.2.3) Construction d'une image On construit l'image A'B' de l'objet AB. Sommaire des Ondes 13/47 Sens de la lumière B I F' A A' O F I' B' BI rayon parallèle à l'axe optique passe par le foyer image F'. BO rayon passant par le centre optique n'est pas dévié. BI' rayon passant par le foyer objet F ressort de la lentille parallèlement à l'axe optique. I B I' B' A F’ A' O F Sens de la lumière http://www.geogebratube.org/student/m27391 II.6.3) Fibre optique II.6.3.1) Principe : - très grande bande passante (théoriquement 10 14 à 1015Hz) autorisant un débit d'information très élevé. - immunité aux perturbations électromagnétiques usuelles (10 2 à 1011 Hz) - isolation galvanique (pas de connexion électrique) Sommaire des Ondes 14/47 - utilisable en milieu explosif n2 Rayon guidé Air n1 Rayon non guidé II.6.3.2) Modalités possibles Fibre monomode (silice dopée) Fibre multimode (silice dopée) Fibre à gradient d'indice (silice dopée) cœur propagation rectiligne de la lumière, au centre. Problème : raccord entre fibres ou entre fibre et connecteur difficile à réaliser (alignement parfait). Ø du cœur : 9 μm Ø de la gaine optique : 125 μm Bande passante : 10 GHz/km Affaiblissement à 850 nm : 2 dB/km Utilisation : liaisons très longues distances à haut débit cœur plus large propagation de la lumière selon des milliers de modes grâce à la réflexion totale sur la surface de séparation cœur-gaine. Problème : aucun des modes n'arrive au même moment en bout de fibre dispersion modale Solution : variation d'indice entre les deux milieux limitée à quelques pour mille angle de réfraction limite proche de 90° (sin i1 = n2/n1 voisin de 1) . profil d'indice parabolique trajectoires courbes parcourues par la lumière dans le même temps que la trajectoire rectiligne centrale (plus on s'éloigne du centre, plus l'indice diminue, donc plus la célérité augmente). Ø du cœur : qq 100 μm Bande passante : 10 à 50 MHz/km Affaiblissement à 850 nm : 5 dB/km Utilisation : liaisons £ 2 km, Débit 50 Mbit/s Ø du cœur : 50 ou 62,5 μm Ø de la gaine optique : 125 μm Bande passante : 100 à 1000 MHz/km Affaiblissement à 850 nm : 5 dB/km Utilisation : liaison longue ou à grand débit Ø du cœur : 1 mm Ø de la gaine optique : 2,2 mm Bande passante : 25 MHz (par ex : 10 Mbits/s en NRZ sur une distance £ 100 m) Fibre polymère à Affaiblissement à 600 nm :150 à 200 dB/km saut d'indice Utilisation : pour liaisons jusqu'à 150 m. Utiles dans les milieux perturbés électromagnétiquement ou explosifs, ou pour l'affichage. Coût réduit. Connectique aisée. http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/optiqueGeo/dioptres/fibre_optique.html Sommaire des Ondes 15/47 II.6.3.3) Caractéristiques techniques Atténuation du signal : verre optique : > 1000 dB/km ! Inutilisable... silice pure : 2 à 5 dB/km polymère : 150 à 200 dB/km (PMMA : polyméthylmétacrylate) Défauts de connectique déplacement axial séparation des extrémités défaut d'alignement II.6.1) Vidéo Conférence de Nicolas Treps, Les LASER pour tester la physique : https://www.youtube.com/watch?v=eQDvcLegMCY&index=3&list=PL7165DA6AE742182D Sommaire des Ondes 16/47 III) Optique ondulatoire III.1) Généralités: La lumière visible est l’infime partie de l’ensemble des ondes électromagnétiques auxquelles l’œil est sensible. L’ensemble des ondes électromagnétiques émit par un corps se nomme le spectre électromagnétique. Spectre électromagnétique et décomposition de la lumière blanche Sommaire des Ondes 17/47 III.2) Diffraction: Une onde rencontrant un obstacle d’une longueur inférieure ou égale à sa longueur d’onde est diffractée III.2.1) Diffraction par une fente: La diffraction d’un rayon lumineux par une fente est telle que la figure de diffraction est celle de la figure suivante. L Fente de diamètre a D Laser : =650 nm Avec a : largeur de la fente D distance séparant l’écran de la fente longueur d’onde considérée. sin( x) 2 D a I ( x) I 0·sinc 2 ·x où sinc( x) et donc L x a D III.2.1) Diffraction par un cheveu: Même phénomène III.1) Vidéos Mesurer la densité du soleil grâce aux arbres - Scilabus 20 https://www.youtube.com/watch?v=yY-0-34j9J8 Sommaire des Ondes 18/47 IV) Photométrie IV.1) La vision Photorécepteur Luminosité "Couleur" Source de lumière Puissance émise (Flux) Spectre Objet Couleur Forme IV.2) L’œil humain: IV.2.1) Descriptif de l’oeil: Fovéa Cônes & bâtonnets Cellules Horizontales Bipolaires, Amacrines Ganglionnaires L’œil humain est comparable à un appareil photographique On ne peut pas détecter la réaction du cerveau à un seul photon IV.2.1) L’œil capteur de luminosité: les bâtonnets L ’œil présente un maximum de sensibilité vers 555 nm dans les conditions de vision photopique 1 watt (W) émit à 555 nm vaut 683 lumens (lm) Autour de cette longueur d ’onde la sensibilité décroît et s’annule vers 380nm et 760nm. 1.0 Très nombreux (~125 millions) Très sensibles (1 bâtonnet peut réagir à 1 seul photon, mais le quantique n’est que de 50%) Insensibles à la couleur Lents à l’adaptation Quic me™ et run décompresseur Photo - JkTi PEG s ont equis pour cette i mage. 0.8 ) V( 0.6 0.4 0.2 0.0 400 450 500 550 600 650 700 (nm) De la cornée à la rétine (exclue) la courbe de transmission spectrale couvre une gamme de 300 nm à 1400 nm. Le cristallin porte la limite inférieure globale à 380 nm au lieu de 300 nm Sommaire des Ondes 19/47 IV.2.1) L’œil capteur de couleur: les cônes Le seuil de sensibilité d’un bâtonnet est environ 100 fois plus bas que celui d’un cône ! Quand à la vitesse de réaction, celle des cônes est au moins 4 fois plus grande que celle des bâtonnets (100 ms). Les bâtonnets sont sujets à une désensibilisation progressive, qui n ’est complète que par un ciel bleu d’été à midi. En petit nombre (~ 5 millions/œil) Sensibilité moyenne Grande vitesse de réponse Sensibles à la couleur L'œil perçoit des longueurs d'onde et le cerveau "voit" des couleurs Un objet semble être coloré car il absorbe sélectivement certaines longueurs d'onde de la lumière incidente IV.3) La photométrie: La photométrie est la science qui étudie le rayonnement lumineux du point de vue de la perception par l'œil humain. L'œil n'est pas un récepteur "objectif". C'est à dire qu'il ne voit pas deux faisceaux de même puissance de la même manière s'ils sont de couleur différente. Pour pouvoir exprimer les caractéristiques énergétiques des ondes électromagnétiques du domaine visible on fait appel à deux jeux d'unités : L'un est utilisé pour décrire la nature de l'onde électromagnétique : c'est le système d'unité énergétique. L'autre est utilisé pour rendre compte de la manière dont l'œil la perçoit : c'est le système d'unités photométrique. Cette courbe de sensibilité relative moyenne de l'œil humain a été établie par la Commission Internationale de l'Éclairage (en abrégé CIE) à partir d'un grand nombre d'individus. Elle montre que la sensibilité maximale de l'œil humain en vision de jour (vision photopique) se produit pour une longueur d'onde de 555 nanomètres. Cette courbe prend des valeurs non nulles pour des longueurs d'onde allant de 380 nanomètres à 780 nanomètres. En dehors de cette plage toutes les grandeurs photométriques seront nulles. Sensibilité de l’œil humain 446 violet bleu 578 592 vert Energie émise (W) 620 jaune orange Filtre V( ) F 780 rouge Flux lumineux (lm) 760 nm P( )V ()d 380 nm 683 lm / W La plupart des appareils de mesure en photométrie, qui ne font pas intervenir directement l'œil en tant qu'élément sensible, sont étalonnés en fonction de la courbe de sensibilité relative de l'œil humain. Sommaire des Ondes 20/47 IV.4) Grandeurs lumineuses: IV.4.1) Notion d’angle solide: S3 S R2 R2 R3 R R1 R2 S2 S1 IV.4.2) Introduction: Les données de base sont l'intensité lumineuse, le flux lumineux, l'éclairement et la luminance. Ces quatre facteurs sont liés comme ceci : une source d'éclairage artificielle - une lampe électrique - rayonne dans toutes les directions de l'espace un flux lumineux dont l'unité est le lumen (lm). Ce flux a, dans une direction donnée, une certaine intensité exprimée en candelas (cd) ; une surface, placée à une distance donnée de la source, reçoit un éclairement qui s'exprime en lux (lx). Enfin, la surface éclairée renvoie une partie de l'éclairement reçu en direction de l'observateur : c'est la luminance exprimée en candelas par mètre carré (cd/m²). IV.4.3) Les grandeurs: Grandeurs relatives à la source de lumière Système d'unités Grandeurs et Énergétique Lumineuses définitions ou visuelle L'intensité (I) Flux par unité d'angle solide candela (Cd) ou lm.sr -1 W.sr -1 la candela est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540.1012 Hz (ce qui correspond approximativement à la fréquence à laquelle l'œil est le plus sensible), et dont l'intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watts par stéradian.. d I d NB : La puissance lumineuse des LED est parfois donnée en millicandelas (mcd) sur un certain angle d’émission α. Donc l’angle solide d’émission de la LED (stéradian) : Ω = 2 π (1-cos ( α /2)) Et I donc Le flux énergétique (ou radiométrique) ou puissance radiante est la puissance (en watts) transportée par l’ensemble des radiations d’un faisceau lumineux (c’est l’énergie transportée par les photons transmis par unités de temps). Le flux (Φ) Quantité de lumière émise ou reçue par la source Remarques Watt (W) Sommaire des Ondes . Le flux lumineux est la quantité de lumière émise par une source lumineuse dans un certain cône E I . avec : angle solide en stéradians (sr) Ces grandeurs ne dépendent pas de la longueur d’onde 21/47 Le flux lumineux : Toutes les fréquences du rayonnement ne sont pas forcément visibles par l'œil humain : à un flux énergétique déterminé correspond une impression visuelle qui dépend de la longueur d’onde (ou de l’intervalle de longueurs d’onde) du rayonnement. Cette impression est caractérisée par le flux lumineux du faisceau exprimé en lumens. Le flux lumineux dépend donc de la réponse de l’œil V aux différentes longueurs d’ondes Lumen (lm) ou cd.sr V E Grandeurs relatives à la surface qui reçoit la lumière Avec = 683 lm/W et E le flux énergétique Le flux lumineux est la quantité de lumière émise par une source lumineuse dans un certain cône (pour caractériser une lampe on prendra l’ensemble de son cône d’émission) I . avec : angle solide en stéradians (sr) Le flux lumineux émis par une lampe est sa principale caractéristique. Définition : 1 lumen est le flux émis par une source ponctuelle uniforme de 1 candela dans un angle solide de 1 stéradian. Les grandeurs photométriques visuelles sont définies pour le domaine visible. Éclairement (E) Flux reçu par unité de surface réceptrice Sommaire des Ondes W.m-2 lux ou lm.m-2 L’éclairement énergétique est le flux reçu par unité de surface (en W/m2) Le flux lumineux produit par une source peut se répartir sur des surfaces différentes donnant des effets différents. Il a donc fallu définir une unité de flux lumineux par unité de surface, c'est l'éclairement. E avec : Flux lumineux en lumens et S : surface en m² S le lux est l’éclairement d’une surface de 1m² recevant perpendiculairement à elle-même un flux de 1 lm régulièrement réparti. sensibilité d’une caméra bas niveau 0,001 lux nuit de pleine lune 0,5 lux rue de nuit bien éclairée 20 à 70 lux local de vie 100 – 200 lux local de travail 200 à 3 000 lux stade de nuit 1 500 lux journée ensoleillée > >50 000 lux 2 2 1 2 2 1 Remarque : 1 lux 1 lm m 1 cd sr m 1 683W sr sr m 0, 001464 W m pour un rayonnement monochromatique de fréquence 540.1012 Hz 22/47 Deux sources lumineuses peuvent avoir la même intensité lumineuse I, l'une provoquera un éblouissement, l'autre pas. La différence est dans la luminance. Luminance (L) Flux lumineux par unité de surface et par unité d'angle solide L W.m-2.sr -1 Cd.m-2 I avec :I : intensité lumineuse en candela et S : surface en m² S La luminance peut caractériser aussi bien une source lumineuse qu'une surface réfléchissante. Définition : c'est le quotient de l'intensité lumineuse dans une direction donnée par l'aire de la projection orthogonale sur le plan perpendiculaire à cette direction Excitance E W m2 lx S I . W lm W / sr cd sr L W m2 sr 1 Cd m2 Sommaire des Ondes I S 23/47 La source émet un flux ( en W ou en lm) dans le demi espace sourc e1 (2 sr) La source émet un flux ( en W ou en lm) dans toutes les directions sourc e2 (4 sr) L’intensité émise par la source est donc L’intensité émise par la source est donc I1 I2 source (en W/sr ou Cd) 2 (en W/sr ou Cd) source 2 4 R R =S/R =S/R Le flux émis vers la source vaut 1 = I1. Le flux émis vers la source vaut 2 = I2. 1 La surface reçoit un éclairement E1= 1/S (en W/m² ou lux) 2 La surface reçoit un éclairement E2= 2/S (en W/m² ou lux) S S La surface reçoit un éclairement E2= 2/S2 plus faible S2 Les deux sources émettent le même flux dans le même angle solide elles ont donc la même intensité I=/ Les sources ayant des surfaces différentes l’une peut être plus éblouissante que l’autre. La luminance caractérise la source : c’est le rapport de l’intensité sur la surface L=I/S Les luminances sont différentes L W m2 sr 1 Cd m2 I S L’efficacité lumineuse (lm/W) : est le rapport entre le flux lumineux (lm) est et le flux énergétique (W) (puissance libérée par la source dans tout l’espace) Efficacité (lm/W) Bougie 0.1 Lampe 9 Halogène 34 Laser 683 Sommaire des Ondes 24/47 V) Synthèse des couleurs Sommaire des Ondes 25/47 VI) Principes physiques des sources lumineuses Deux principes permettent de produire de la lumière : la chaleur et la Luminescence VI.1) Sources de lumières utilisant la chaleur : Thermorayonnance VI.1.1) Biblios Techniques de l’ingénieur E4010 Radiométrie et sources non cohérentes D5800 Éclairage électrique Généralités D5805 Éclairage électrique Lampes à incandescence D5810 Éclairage électrique Lampes à décharge http://www.gr-univers.fr/louis_einstein_univers/lumiere.php http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=6772 http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/XML/db/csphysique/metadata/LOM_CSP_CorpsNoir.xml http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-bilan-radiatifterre1.xml#id2742396 http://www.energieplus-lesite.be/energieplus/page_9992.htm VI.1.2) Caractéristiques Feu Torches Chandelles Lampes à huile Au niveau microscopique, ce phénomène ne peut s'expliquer en physique classique. L’explication de la loi de Planck faisant appel a des notions de quantification et de thermodynamique statistique. Le spectre du rayonnement électromagnétique d’un corps a une température T est donnée par la loi de Planck : M e ( , T ) 2 hc 5 2 M 0 S ( , T ) est en W.m-2.m-1.sr-1 1 hc exp kT 1 où h=6,626.10-34 J.s constante de Planck c= 2,997.108 m.s-1 célérité de l’onde k=1,381.10-23 J.K-1 constante de Boltzmann (m) longueur d’onde Le flux total émis par unité d’aire, s’exprime, en W/m² par la relation : M e (T ) T 4 avec = 5,7 · 10– 8 W m–2 K–4 Ce flux énergétique augmente donc très rapidement avec la température. L’expression simple (loi de Wien) qui relie la position max , en nanomètres, de ce maximum à la température est : maxT 2,886 106 c’est ainsi que, pour obtenir max = 555 nm, il faut T = 5 200 K. Sommaire des Ondes 26/47 Cependant, on retiendra comme image que plus la température du corps est élevée, plus l'agitation thermique responsable de l'émission est élevée. Méthode "chaude" Milieu Dense Interactions Fortes Filament métallique chaud Spectre Continu VI.1.3) Ampoules à incandescence Initialement en 1878 Thomas Edison (USA) fabrique la première lampe à incandescence avec un filament au charbon. Le passage du courant dans le filament en tungstène (fusion 3 650 °C). d’une lampe à incandescence chauffe celui-ci par effet Joule et le porte à incandescence. Sous l’effet de l’échauffement, les atomes du filament vibrent et ceux à d’autant plus haute fréquence et avec une intensité d’autant plus grande que la température est haute. Tous les atomes ne sont pas exactement à la même température et l’effet statistique fait que toutes les fréquences autour d’une fréquence prédominante existent. L’effet obtenu est donc un spectre continu autour d’une fréquence possédant un maximum d’intensité. Sommaire des Ondes 27/47 À l'intérieur de l'ampoule, on trouve un gaz caractéristique du type d'ampoule : le vide ; un gaz rare, souvent le krypton ou l'argon ; un gaz halogène, ce qui permet de produire une lampe à incandescence halogène (les atomes de tungstène en refroidissant se combinent avec le gaz halogène au lieu de se déposer sur le verre puis par convection naturelle, le gaz se rapproche du point chaud et là, les atomes de tungstène se déposent à nouveau sur le filament sous l'effet de la chaleur. Son rendement est donc meilleur à pleine puissance) Ces lampes souffrent particulièrement des allumages et extinction répétées. Le rendement lumineux est particulièrement mauvais, environ de 10% de l'énergie est convertie en lumière visible, le reste est dissipé en chaleur VI.2) Sources de lumières utilisant la Luminescence On définit le phénomène de luminescence par une proposition négative : il intervient lorsque la thermorayonnance ne peut expliquer l’émission lumineuse. Electroluminescence: Ionisation et excitation electronique Bio-luminescence Phosphorescence Tribo-luminescence Thermo-luminescence Foudre VI.2.1) Caractéristiques des diverses luminescences Méthode "froide" Milieu dilué Interactions Faibles Atomes Molécules Spectre de raies VI.2.1.1) Ionisation et excitation électronique : Les électrons libres sont attirés par une des électrodes et les ions positifs par l'autre. Comme il y a un déplacement de charges électriques au cours du temps au travers de l’ampoule, un courant électrique s’établit dans le circuit bien que l’ampoule ne possède pas de filament. Lors du déplacement des charges électriques, se produisent de nombreuses collisions entre les électrons libres et ceux présents dans les atomes de gaz non ionisés. Lors de ces collisions, les atomes non ionisés choqués voient la valeur de leur énergie électronique croître. Les atomes non ionisés choqués cherchent naturellement à perdre leur excès d’énergie électronique. En rejoignant la valeur initiale de leur énergie électronique avant collision, l’énergie restituée est alors émise sous forme d’ondes lumineuses à fréquence unique. Sommaire des Ondes 28/47 Exemple : les niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène. Comme pour tout atome, les niveaux d’énergie d’un électron de l’atome d’hydrogène sont quantifiés : il ne peuvent prendre que certaines valeurs bien définies. Quand un atome reçoit de l’énergie, l’électron change de niveau. Comme le niveau n = 1 est le plus stable, l’électron va restituer l’énergie stockée. Il émet alors un photon de fréquence , telle que : E = h . Où h est la constante de Planck : h = 6,63.10-34 J.s. et E la différence d’énergie entre le niveau de départ et le niveau d’arrivé. doublet du sodium Comme les niveaux d’énergie sont quantifiés, les fréquences ou longueur d’onde possible le sont aussi : cela correspond à des raies dans le spectre d’émission. On parle alors de spectre de raies. C’est raies sont fines si les pressions des gaz sont faibles et typique des gaz ionisés. VI.2.1.2) La Fluorescence : La fluorescence est une photoluminescence lorsque l’émission lumineuse est obtenue par l’action excitatrice d’un autre rayonnement optique. Par la décharge électrique, on sait obtenir des radiations ultraviolettes qui sont quelquefois l’accompagnement indésirable des radiations visibles. Il est avantageux d’utiliser l’ultraviolet pour provoquer ou améliorer l’émission lumineuse. Une molécule fluorescente (fluorophore ou fluorochrome) possède la propriété d'absorber de l'énergie lumineuse (lumière d'excitation) et de la restituer rapidement sous forme de lumière fluorescente (lumière d'émission). Une fois l'énergie du photon absorbée, la molécule se trouve alors généralement dans un état électroniquement excité. Le retour à l'état fondamental peut alors se faire de différentes manières : soit par fluorescence, soit par phosphorescence. Sommaire des Ondes 29/47 La fluorescence est caractérisée par l'émission d'un photon de manière très rapide. La phosphorescence quant à elle est caractérisée par une transition plus lente à s'effectuer. Suit alors une émission de photon pour retourner à l'état fondamental. VI.2.1.3) L’électroluminescence : L'électroluminescence est le résultat de la recombinaison radiative des électrons et des trous électroniques dans un matériau (généralement un semi-conducteur). Les électrons excités libèrent leur énergie sous forme de photons (c'est-à-dire de lumière). Avant recombinaison, les électrons et les trous sont séparés les uns des autres en raison de l'induction (semi-conducteur) dans le matériau pour former une jonction (dans des dispositifs électroluminescents de semi-conducteur comme des DELs), ou en raison de l'excitation par impacts d'électrons de haute énergie accélérés par un fort champ électrique (comme avec le phosphore dans les affichage électroluminescents). VI.2.2) Les lampes à décharge VI.2.2.1) Principe En 1812 Humphry Davy &Michael Faraday (GB) fabriquent un arc au charbon Une lampe à décharge est une lampe électrique constituée d'un tube ou d'une ampoule en verre rempli de gaz ou de vapeur métallique, sous haute ou basse pression, au travers duquel on fait passer un courant électrique Les atomes du gaz utilisé ont la faculté de pouvoir « s’ioniser » (apparition d’une charge électrique positive appelée « ion » et d’un électron devenu libre de charge négative) lorsque les atomes sont soumis à la tension aux bornes des 2 électrodes situées de chaque coté de l'ampoule. Sommaire des Ondes 30/47 La couleur de la lumière émise par luminescence, par ces lampes dépend du gaz utilisé : Le néon donne une couleur rouge; Le mercure s'approche du bleu tout en produisant une quantité d'ultraviolet importante ; Le sodium rayonne dans le jaune. Souvent on le mélange avec du néon pour rendre la lumière orangée. Le xénon (employé pour l'éclairage des automobiles) est le gaz qui permet de s'approcher le plus possible du blanc pur Les molécules du gaz métallique utilisé ont la faculté de pouvoir s’ioniser lorsqu'elles sont soumises à la différence de potentiel créée entre les électrodes situées de chaque coté de la lampe. Les électrons libérés sont attirés par une des électrodes et les ions positifs par l'autre. Un énorme flux d'électrons traverse l'ampoule et ionise les molécules du gaz qui en se désexcitant produisent de la lumière. VI.2.2.2) Elargissement des raies Dans les lampes à décharge, on peut s’intéresser particulièrement à l’émission des raies des niveaux plus élevés et augmenter la pression pour favoriser celle-ci. Non seulement la nature des chocs est modifiée, mais les raies s’élargissent parce que les niveaux d’excitation sont influencés par la présence des atomes très voisins. VI.2.2.3) Stabilisation et amorçage Les décharges électriques ne sont pas autostabilisatrices, car l’ionisation du milieu gazeux et, par suite, l’intensité de courant admise tendent à croître sans limite. L’explication est que la probabilité des chocs ionisants augmente avec le nombre d’électrons en circulation. Une lampe à décharge, soumise directement à une tension suffisante pour l’amorçage, est mise hors d’usage instantanément par l’avalanche électronique déclenchée. La présence nécessaire d’un ballast pour limiter le courant est une caractéristique générale. L’ensemble lampe-ballast est indissociable et la qualité du ballast intervient dans celle de la lampe. En courant alternatif, le ballast constitué d’une bobine d’inductance à noyau ferromagnétique est le plus utilisé. Il est donc nécessaire d’utiliser un condensateur pour relever le facteur de puissance de l’ensemble Sommaire des Ondes 31/47 Un deuxième problème spécifique de la décharge électrique est celui de l’amorçage. Ce dernier ne peut avoir lieu s’il n’y a pas un nombre suffisant d’électrons libres dans le tube et si l’énergie nécessaire à leur multiplication n’est pas fournie. Leur mise en mouvement exige la présence d’un champ électrique suffisant, compte tenu de la distance entre les électrodes et de la nature et de la pression du gaz. On peut favoriser le déplacement des électrons par des effets purement capacitifs, c’est-à-dire par des champs électriques provenant de surfaces extérieures au tube à décharge. En ce qui concerne l’influence du gaz sur l’amorçage, il faut signaler l’intérêt éventuel d’ajouter au gaz principal un gaz auxiliaire dont les potentiels caractéristiques sont aptes à faciliter l’ionisation. Les fabricants de lampes doivent rechercher les aides à l’amorçage appropriées, mais il leur est souvent nécessaire de faire appel à un starter ou à un amorceur pour provoquer une pointe de tension et de pratiquer, dans certains cas, un préchauffage des cathodes. Circuit de préchauffage avec starter à lueur Sommaire des Ondes Éléments constitutifs d’un starter à lueur 32/47 Tension de claquage : 1000 V tube Tension efficace de fonctionnement ≈ 230 2 Puissance 30 W, cos=1 starter Tension de claquage : 250 V Sens de la déformation en cas d’échauffement 230 V Utube ballast électrode Uballast 1. 2. 3. 4. 5. 6. Au repos le starter est ouvert Le starter est une véritable lampe à décharge (à cathode froide) entre deux électrodes rapprochées dans une petite ampoule remplie de gaz rare (néon ou argon) s’ionisant entre 80 et 120 V. On ferme l’interrupteur, la tension secteur se trouve appliquée aux bornes du starter, le néon qui s’ionise à partir de 80 à 120V devient conducteur. Le starter s’allume. Une des deux électrodes (ou les deux) est une bilame qui se déforme sous l’action de la décharge et de la chaleur engendrée et assure la fermeture du circuit de préchauffage. A ce moment la lueur disparaît. D’autre part, le courant s’établit par le starter, les deux électrodes montées en séries en série avec l’inductance s ‘échauffent et deviennent émissives La réouverture du circuit, par la bilame qui se refroidit, provoque une pointe de tension de selfinduction et, en principe, l’établissement de l’amorçage de la lampe et le courant s’établit dans le tube. En cas de non-résultat, l’opération recommence. 7. Le starter est mis hors circuit lorsque le tube débite et que la tension d’arc est établie entre les électrodes. On s’arrange, en effet, par le choix du gaz de remplissage du starter pour que sa tension d’amorçage (80 et 120 V) soit supérieure à la tension d’arc (de fonctionnement) du tube (40 à 110 V). En fonctionnement, la tension aux bornes de la lampe est trop faible pour générer un nouveau cycle d'allumage. Le starter se maintient donc en position ouverte et le courant traverse la lampe qui reste allumée. 8. A partir de cet instant, le ballast joue le rôle de limiteur de courant et empêche la destruction de la lampe. http://www.energieplus-lesite.be/energieplus/page_10689.htm VI.2.2.4) Lampes à décharge basse pression o Les tubes fluorescents (faussement appelé néon) : jusqu’à 100 lm/W. Utilisé dans de nombreuses applications tertiaires. Sommaire des Ondes 33/47 Les lampes fluorescentes génèrent la lumière visible via deux processus simultanés. D'une part, l'ionisation d'un mélange d'argon et de vapeur de mercure à basse pression génère une lumière dans la gamme des ultraviolets. Ce rayonnement est ensuite converti en lumière visible à la surface du tube par des poudres fluorescentes (sels de phosphore) dont la composition est spécifique à la teinte de lumière que l'on désire obtenir. . La poudre fluorescente a pour but d’absorber les ondes lumineuses monochromatiques ultraviolettes pour émettre une lumière visible qui possède un spectre continu assez semblable à celui d’une lumière provenant d’une lampe à incandescence o Les lampes à vapeur de sodium basse pression( 0,4 Pa) : jusqu’à 200 lm/W mais au dépend d’un rendu de couleurs très pauvre éclairage centrée sur 589 nm et un temps d’allumage long (10 min). (’éclairage publique ). VI.2.2.5) Lampes à décharge haute pression o o o Les lampes aux halogénures métalliques : lumière presque blanche 100 lm/W. (intérieur d’immeubles de grande hauteur, de parking, de magasins, de terrains de sports). Xenon Les lampes à vapeur de sodium haute pression : jusqu’à 150 lm/W. Ces lampes produisent un spectre de lumière plus large que lampes à vapeur de sodium basse pression (l’éclairage publique culture des plantes). Les lampes à vapeur de mercure : ancien : remplacé par des lampes métal halide et des lampes à vapeur de sodium haute pression. Sommaire des Ondes 34/47 VI.2.3) Lampes à LED VI.2.3.1) Généralités Une lampe constituée de DEL produit de la lumière par électroluminescence d'un semi-conducteur, le rendement est bien plus intéressant sans toutefois atteindre celui des phénomènes de fluorescence (tube fluorescent, ampoule fluocompacte). La durée de vie des LED est bien plus importante que pour ces deux derniers mécanismes avec un avantage certain, les LED ne souffrent aucunement des alternances allumage/extinction VI.2.3.2) Quelques types de LED Sommaire des Ondes 35/47 LED bleue + phosphore jaune C’est la méthode la plus couramment utilisée dans l’industrie pour la fabrication de LED blanche. Le spectre caractéristique de ce type de LEDs blanches provient du fait que le phosphore jaune excité par la radiation bleue, émet une couleur jaune. Il y a alors mélange entre le bleu initial du semi conducteur et le jaune issu de la phosphorescence LED bleue + multi phosphores Le fabricant LUMILED a quand a lui, développé une méthode utilisant deux phosphores jaune et rouge, améliorant ainsi considérablement l’indice de rendu des couleurs (Cf. Fig. 4), en atteignant un indice de plus de 94. LED UV + phosphore RGB VI.2.3.3) Montage VI.2.3.4) Variation d’éclairement (dimmable) Par hachage de la tension d’alimentation à une fréquence suffisamment élevée. Par contrôle du courant dans la LED Sommaire des Ondes 36/47 A noter : le rendement lumineux varie avec le carré de l’intensité, donc il est plus intéressant de travailler à courant pulsé important qu’à courant plus faible non pulsé. VI.2.3.5) Anisotropie de l’éclairement (ça éclaire pas partout pareil) VI.2.4) Lasers VI.3) Analyse des sources lumineuses VI.3.1) Analyse spectrale par spectromètre L’une des principales caractéristiques d’une source lumineuse est son domaine de répartition en fréquence ou en longueur d’onde. En mesurant l’intensité lumineuse obtenue pour chaque valeur de longueur d’onde émise, on obtient une courbe I = f(), appelé spectre en longueur d’onde de la source lumineuse. L’appareil permettant d’obtenir le spectre de la lumière émise par la source est appelé un spectroscope. Exemple de spectroscope à prisme : Sommaire des Ondes 37/47 La fente permet de limiter la largeur du faisceau. La lentille permet de focaliser l’image de la fente sur l’écran. Le prisme est l’agent dispersif du spectroscope. C’est la propriété de dispersion qui est utilisée ici (comme pour les gouttes d’eau de l’arc-en-ciel), soit la variation de l’indice optique en fonction de la longueur d’onde n = f(). En remplaçant l’écran par une cellule photométrique, on obtient un spectromètre qui permet d’obtenir la courbe I = f(). Voici par exemple le spectre de la lumière solaire qui sert de référence pour les autres sources lumineuses : Ce spectre présente un maximum d’émission pour une radiation de 480 nm (dans les verts), soit plus ou moins au milieu du domaine visible. Ce type de spectre correspond à un spectre d’émission « thermique » caractérisé par la loi de Wien. Cette loi donne la température de la source : m T= 2898 µm.K correspondant au maximum d’émission et T est la température de la source en Kelvin. A.N. : calculer la température de la ceinture solaire. VI.3.2) Analyse de la répartition spatiale du flux Une source de lumière émet un flux l’on souhaite déterminer. Suivant la direction observée la source de lumière peut émettre des intensités différentes. Il faut donc intégrer ces diverses valeurs de l’intensité en fonction de la position en et ou l’on se trouve. I ( , ) d d R Rd En effet dS1 E , dS (en lumen) que I , d . On ne peut connaitre I en chaque point mais l’on peut remonter à lui par le biais de l’éclairement : En effet R sin d I , d E , dS1 E , R 2 d d . I , d E , R 2 d E , R 2 Donc 2 max E , R 0 2 dS R2 sin d d 0 Sommaire des Ondes 38/47 Si l’on accepte la symétrie cylindrique du rayonnement (il ne varie pas suivant ) 2 R max 2 E , sin d 0 On s’aperçoit que dans une direction donnée, comme le flux d’une lampe est fixe, l’éclairement évolue de façon inversement proportionnelle au carré de la distance VI.4) Lasers Les atomes possèdent des niveaux d'énergie et peuvent passer de l'un à l'autre, un peu comme on monte ou descend d'une échelle, en absorbant ou en émettant un photon. Un atome excité qui revient spontanément vers son état fondamental émet un photon dans n'importe quelle direction de l'espace : c'est la fluorescence. Par contre si cette désexcitation n'est pas spontanée mais provoquée par la rencontre avec un photon adéquat, le photon émis a les mêmes caractéristiques que le photon initial. Si cette "réaction" peut se produire un grand nombre de fois, on peut obtenir une collection de photons identiques (même "couleur" ou longueur d'onde) se propageant ensemble dans la même direction. D'où le rayon-laser. Pour obtenir l'effet laser, il faut donc préparer une collection d'atomes (ou de molécules) dans le même état excité (par exemple avec des flashes très puissants ou une décharge électrique). Ce "milieu-laser" peut être solide, liquide ou gazeux. On emprisonne ces atomes entre deux miroirs pour que la lumière fasse de multiples allers-retours afin d'obtenir la lumière laser, dont on prélève un petit pourcentage du faisceau à chaque passage. Suivant la nature du milieu - laser, l'émission de lumière peut prendre n'importe quelle couleur visible (les lasers ne sont pas tous rouges !) mais atteindre aussi les domaines ultra violet ou infra rouge et même celui des rayons X, avec quelques "étages" supplémentaires. Contrairement à la lumière du soleil, la lumière - laser est donc monochromatique et très directionnelle : on peut la guider sur de longues distances et la concentrer (grâce à des lentilles) pour obtenir des densités de puissances phénoménales. VII) Caractéristiques des lampes VII.1) Le triplet Emetteur – Objet – Récepteur 1.0 Q ui me ™ nt et run désco m prr ve isssua eul isr er P ho to ck- JTiPE G so eq ui p ou c et t e i m ag e. V() 0.8 0.6 L'œil perçoit des longueurs d'onde et le cerveau "voit" des couleurs 0.4 0.2 0.0 400 450 500 550 600 650 700 (nm) 1 watt (W) émit à 555 nm vaut 683 lumens (lm) Un objet semble être coloré car il absorbe sélectivement certaines longueurs d'onde de la lumière incidente VII.2) Efficacité énergétique Sommaire des Ondes 39/47 VII.3) Température de couleur La loi de Wien montre que plus la température de la source est importante, plus le spectre se décale vers les bleus. Il y a donc corrélation entre la température de la source et la « couleur » de la lumière émise : on parle de température de couleur. La température de couleur permet de déterminer la couleur d'une source de lumière. Elle se mesure en Kelvin. La couleur d'une source lumineuse est comparée à celle d'un corps noir théorique chauffé entre 2 000 et 10 000 K, qui aurait dans le domaine de la lumière visible un spectre d'émission similaire à la couleur considérée. La notion de température de couleur est à manipuler avec précaution, car subjective. Il s’agit de comparer l’aspect visuel de l’éclairage obtenu avec celui d’un corps noir (idéal) chauffé à la température considérée, on obtient alors la température de couleur équivalente bien que les spectres puissent être très différents. Pour simplifier, on admet couramment les règles suivantes : « lumière chaude » (température du filament de tungstène inférieure à 3500K) ; « lumière du jour » (température du filament de tungstène comprise entre 3500 K et 5000K) ; « lumière froide » (température du filament de tungstène supérieure à 5000K). Cette notion de température de couleur ne devrait s’appliquer qu’aux sources de type « thermique », mais, par extension et comme il ne s’agit que d’une affaire d’appréciation visuelle, cette notion sera étendue aux autres types de sources. Par exemple, les tubes fluorescents destinés à l'éclairage sont disponibles dans les températures de couleur suivantes : 1850 K rouge orangé de la flamme d'une bougie 2700 K : proche de la lumière incandescente, utilisation domestique et hôtellerie 3000 K : proche de la lumière halogène , utilisation en hôtellerie, boutiques, musées 3500 K : (peu fréquent) compromis entre lumière halogène et lumière de bureau 4000 K : blanc "neutre", très utilisé dans les bureaux et dans les milieux industriels ; cette température de couleur intermédiaire a l'avantage de ne paraître ni trop jaune la journée, ni trop froide la nuit Sommaire des Ondes 40/47 5000 K : proche de la lumière du jour (mais attention à l'IRC), utilisé en musées, photographie (flash électronique) et en arts graphiques 6500 K : proche de la lumière d'un ciel couvert (mais attention à l'IRC), utilisé dans les hôpitaux (ce qui donne cette lumière froide hélas si typique) 8000 K : (peu fréquent) proche de la lumière d'un ciel bleu (lumière du nord), usages spéciaux. VII.4) Indice de rendu des couleurs (IRC) Pour apprécier l'aspect et la qualité de la lumière il convient d'associer à la température de couleur l'indice de rendu de couleur ou IRC (C’est la capacité d'une source de lumière à restituer les différentes couleurs du spectre visible sans en modifier les teintes. chiffre entre 0 et 100 qualifiant le respect des couleurs (la valeur 100 étant obtenu par le corps noir, soit une source purement thermique). Pour une même température de couleur, l'IRC peut varier. Cette différence n'est pas perceptible en regardant le tube directement, ou lorsque sa lumière atteint une surface blanche, mais par contre elle saute aux yeux lorsque l'on éclaire des objets colorés : fruits, vêtements, photographies (différences très visible), nuanciers dentaires, etc. IRC 55 à 70% : rendu de couleur médiocre, utilisation en atelier, industrie, lieux publics de circulation. En photographie, ils produisent une dominante verte caractéristique. Efficacité lumineuse moyenne. IRC 85% : rendu de couleur correct, utilisation en bureau, école, hôtellerie, domestique (hélas). Les teintes chair sont déformées, le jaune tire vers le vert, les bleus tirent vers le violet, et généralement toutes les teintes semblent plus saturées, un peu artificielles.. Efficacité lumineuse très bonne. IRC > à 90%. : rendu des couleurs supérieur, utilisation en arts graphiques, musées, dentisterie, photographie, caissons lumineux, utilisation très souhaitable en éclairage domestique. Utilisés en photographie, ils ne présentent pas la dominante verte si caractéristique. Efficacité lumineuse bonne. Original Sodium Basse pression Mercure Haute Pression Sodium Haute Pression Marquage standardisé de tubes fluorescents Le code, à 3 chiffres, Le premier chiffre indique l'IRC, en dizaines de %, les deux chiffres suivants désignent la température de couleur, en centaines de K. Ex : le code 640 désigne un tube d'un IRC de 60 et d'une température de couleur de 4000 K (blanc industrie), éclairage d'atelier, cave, etc. Sommaire des Ondes 41/47 Sommaire des Ondes 42/47 VII.5) Diagramme d’intensité Sommaire des Ondes 43/47 VII.6) Données techniques Les fabricants, membres du syndicat de l’éclairage, proposent un engagement sur “la normalisation et la sincérité des données photométriques”. Ils considèrent que la mise a disposition de quatre données – tableau des intensités lumineuses (en cd/1 000 lm), – courbes photométriques, – rendement (en %) – valeurs maximales des luminances (en cd/m²) Le code d’une lampe donne la puissance consommée en W Et un code à 3 chiffre où Le premier indique la dizaine de l’IRC Les deux suivant indiquant le nombre de centaines donnant la température de couleur : Ex : Tube fluorescent avec un marquage 840 indiquant un IRC de 80 à 89 et une température de couleur de 4 000 K (Blanc neutre) VII.7) Comparatif des types de lampes Rendement (lm/W) Durée de vie moyenne (heures) Technologie Lampe incandescente Lampe halogène Lampe fluorescente Lampe à DEL Sommaire des Ondes 12-20 lm/W 1 000h - 1 200h 18 - 25 lm/W 2 000h - 3 000h 60 - 100 lm/W 6 000h - 15 000h 12 - 70 lm/W 50 000h - 100 000 h 44/47 Sodium Basse Pression Bon Éclairage routier Sodium Haute Pression MHL (quartz) Mercure Haute Pression Moyen 200 lm/W IRC~0 MHL (céramique) Sodium Haute Pression "White" Éclairage intérieur incandescence 12 lm/W IRC~100 Faible 100 0 IRC Evolution de l'efficacité Lampe au Soufre Fluo Compacte (CFL) Na Haute Pression (SON) Na HP blanche Fluorescent Na Basse pression (LPS) HID/MHL Incandescence VII.8) Recommandations d’éclairages VII.8.1) Normes d’éclairage publique EN 13201-1 : classes d’éclairage EN 13201-2 : exigence des performances EN 13201-3 : calcul des performances photométriques Sommaire des Ondes 45/47 VII.8.2) Préconisation éclairage intérieur Source LUX n° 228 - Mai/Juin 2004 VIII) Applets Relaxateur à Néon l Sommaire des Ondes 46/47 IX) Bibliographie http://www.repereelec.fr/dossier-ecl.htm Sommaire des Ondes 47/47
