Chap03_Eclairage_eleve
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1èreSTI2D TP n°3 Année 2012-2013 L’ECLAIRAGE DANS L’HABITAT L’utilisation de luminaires dans les entreprises, les bureaux, les habitations doit satisfaire aux diverses exigences de besoin d’éclairement, de qualité d’éclairement, et cela pour une consommation la plus faible possible. En effet la consommation électrique pour l’éclairage correspondant à 14 % de la consommation des ménages, l’amélioration de l’efficacité énergétique est un axe de progrès à privilégier. 1. Etude de diverses sources lumineuses 1.1. Expérience : Pour chaque lampe, observons le spectre au travers d’un spectroscope. Mesurer l’éclairement produit par chaque lampe et à diverses distances Mesurer la consommation énergétique de chacune. Caractéristique des sources lumineuses 1.2. Spectre d’une source - La lumière du soleil est polychromatique (plusieurs couleurs): elle est composée d’une succession continue de radiations et peut être décomposée en traversant un milieu dispersif, comme un réseau (succession de fentes très fines) ou un prisme (triangle de verre). - Chaque radiation est une onde électromagnétique caractérisée par sa longueur d’onde. - La longueur d'onde "" d’une radiation est liée à sa fréquence "f" par la relation : Relation fondamentale : c : célérité de la lumière dans le vide c = 300 000 km.s-1 = 3 108 m.s-1 c cT : longueur d’onde (m) f T : période (s) : fréquence (Hz) - Les radiations visibles par l’œil humain vont du violet au rouge. Leurs longueurs d’onde sont comprises entre 400 nm et 800 nm. = Exemple : Pour une fréquence de 100 MHz ; 3.108 3 m. 100.106 Ex 1-2-11-12-13-18 1.3. Réponse de l’œil à la lumière : 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. 0.8 V() Les cellules de la rétine reçoivent les différentes radiations de la lumière visible. Elles les convertissent en impulsions électriques transmises au cerveau par le nerf optique, qui les décode. Elles ne présentent pas la même sensibilité pour toutes les longueurs d’onde. En vision diurne (qui vit le jour), l’œil présente un maximum de sensibilité à 555 nm (vert-jaune) ; en vision nocturne (scotopique) ce maximum est de 505 nm (vert-bleu). 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 1.4. Influence de la température sur le spectre : La température de couleur permet de déterminer la couleur d'une source de lumière. Elle se mesure en degrés kelvins A noter : la "température" de couleur ne correspond pas à la température réelle de la source lumineuse. Elle est liée au modèle théorique du corps noir qui, lorsqu'il est chauffé, émet une certaine qualité de lumière. Lumière du jour au coucher et au lever du soleil : 2500 à 3800 K. Lumière du jour "normale" de 4000 à plus de 15 000 K. Remarques : - Plus la tension augmente plus la température du filament augmente, plus le spectre se déplace dans le violet. - Pour le cas d’une lampe à économie d’énergie, le spectre est un spectre discontinu (spectre de raies) Ex 3-4-16-19 1.5. Indice de rendu des couleurs : L'Indice de Rendu des Couleurs "l’IRC" indique la capacité d’une source lumineuse à restituer les différentes couleurs naturelles d’un objet. L’IRC varie de 0 à 100. Plus l'IRC est grand, mieux les couleurs sont restituées. La lumière du jour (lumière blanche) considérée comme la lumière parfaite détient évidemment le record car son IRC est de 100. Plage d’IRC Rendu des couleurs IRC < 80 80 < IRC < 85 85 < IRC < 95 95 < IRC < 100 Médiocre Moyen Bon Très bon Ex 5- 2. Grandeurs photométriques : La photométrie est l’étude de la lumière du point de vue énergétique. L’œil humain sert de référence pour établir les unités visuelles des grandeurs de la photométrie. 2.1. Flux énergétique : E (en W) 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). Attention : l’ensemble des radiations inclut toutes les radiations (toutes les longueurs d’ondes, mêmes invisibles) et il faut prendre en compte toutes les directions de propagation. Le flux énergétique "E" est défini par : E E : flux énergétique en watt (W) W . t W : énergie lumineuse rayonnée par la source en Joule (J) T : durée en seconde (s) Puissance dissipée sous forme de chaleur Puissance électrique reçue en W Lampe Puissance rayonnée = flux énergétique en W = .P 2.2. Flux lumineux : (en lumens) 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 V E 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) Ex 6-7 2.3. Efficacité énergétique : k : est le rendement lumineux de la lampe encore appelé efficacité lumineuse, il s’exprime en lm.W-1. P : est la puissance électrique reçue par la lampe qui s’exprime en W. Remarques : L’efficacité lumineuse (k ou e) d’une source caractérise les classes énergétiques des lampes qui correspond au quotient du flux lumineux émis "" par la puissance électrique consommée "P" : k e P Une directive européenne classe les lampes à partir de leur efficacité énergétique qui s’exprime par une lettre allant de A (très économique) à G (peu économique). Etiquette d’efficacité énergétique d’une lampe Il faut savoir que pour un niveau d’éclairement donné, dans une installation d’éclairage, la consommation d’énergie sera moindre avec des lampes ayant une efficacité lumineuse élevée. L'efficacité lumineuse de différentes sources de lumière change considérablement : elle peut varier de moins de 10 lm/W à plus de 200 lm/W. Exemple : Catégorie d’efficacité Flux lumineux de la Puissance Durée de vie moyenne : Efficacité énergétique : A lampe : 1150 lm électrique : 20 W 10 000 heures. lumineuse = 57,5 Ex 8-10-21 2.4. Eclairement d’une surface : 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. L’éclairement énergétique est le flux énergétique reçu par unité de surface (en W/m2) L’éclairement (lumineux) est le flux lumineux reçu par unité de surface (en lux=lm/m2) : Flux lumineux en lumens E S : surface en m² S E : éclairement en lux le lux est l’éclairement d’une surface de 1m² recevant perpendiculairement à elle-même un flux de 1 lm régulièrement réparti. Remarque : L’éclairement diminue avec le carré de la distance à la source. Ex 9-14-15-17-22-23 3. Différents types des lampes : Lampe Diodes Lampe fluocompacte Lampe à décharge halogène électroluminescentes - Les ampoules à filament (à incandescence) émettent un spectre continu. Pour obtenir une lumière plus blanche, on peut ajouter un gaz halogène dans l’ampoule (lampe halogène), qui permet d’augmenter la température du filament. - La lampe fluocompacte, fait partie de la famille des lampes à décharge où une décharge électrique provoque l’ionisation d’un gaz qui en revenant à son état de repos émet de la lumière (vapeur de mercure :UV, néon : rouge, sodium jaune …). Dans le cas du tube néon et de la fluocompacte il faut ensuite convertir en rayonnement visible par les substances fluorescentes qui recouvrent le tube. Le spectre émis par ces lampe est discontinu (spectre de raies). - Les diodes électroluminescentes émettent de la lumière lorsqu’elles sont parcourues par un courant. Le spectre émis par cette lampe est discontinu (spectre de raies). Lampe à incandescence image spectre Puissance (W) Exp. Cons. Eclairement E(lx) 4 R E 2 à R=30cm à 60 cm Incandescence continu 53 900 270 Lampe halogène continu 58 42 2000 650 25.6 1900 760 100 580 Lampe fluocompacte (Philips Tornado 23 W) Eclairage à LED discontinu Discontinu Trou vers le vert 4.9 280 Lampe à vapeur de sodium haute pression (Lucalox 100W) soleil Discontinu Raies jaunes 100 8000 Ecran d’ordinateur Bougie Flux (lm) Exp. Cons. Efficaci té lumine use (lm/W) classe D Durée de vie (h) 2000 Variateur oui Tempéra ture de couleur (°K) 2700 IRC recyclabl e
