Chap03_Eclairage_eleve

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
cT f
c : célérité de la lumière dans le vide
c = 300 000 km.s-1 = 3 108 m.s-1
 : longueur d’onde (m)
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 ;  =
6
8
10.100
10.3
3 m.
Ex 1-2-11-12-13-18
1.3. Réponse de l’œil à la lumière :
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).
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
V(
)
700650600550500450400
 (nm)
Qui ck Ti m e ™ et un dé co m pre ss eu r
P ho to - J PE G so nt req ui s p ou r v is ua l is er
c et t e i m ag e.
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
1 watt (W) émit à 555 nm
vaut 683 lumens (lm)
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
Médiocre
80 < IRC < 85
Moyen
85 < IRC < 95
Bon
95 < IRC < 100
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 :
EW
t
.
E : flux énergétique en watt (W)
W : énergie lumineuse rayonnée par la source en
Joule (J)
T : durée en seconde (s)
Puissance électrique
reçue en W
Puissance rayonnée = flux énergétique en W = .P
Lampe
Puissance dissipée sous forme de chaleur
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
E
V
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" :
keP
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
énergétique : A
Flux lumineux de la
lampe : 1150 lm
Puissance
électrique : 20 W
Durée de vie moyenne :
10 000 heures.
Efficacité
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)
ES
 : Flux lumineux en lumens
S : surface en m²
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 à incandescence
Lampe
halogène
Lampe fluocompacte
Lampe à décharge
Diodes
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).

image
spectre
Puissance
(W)
Exp.
Cons.
Eclairement E(lx)
2
4RE
à R=30cm
à 60 cm
Flux
(lm)
Exp.
Cons.
Efficaci
té
lumine
use
(lm/W)
classe
Durée de
vie (h)
Variateur
Tempéra
ture de
couleur
(°K)
IRC
recyclabl
e
Incandescence
continu
53
900
270
Lampe halogène
continu
58
42
2000
650
580
D
2000
oui
2700
Lampe
fluocompacte
(Philips Tornado 23
W)
discontinu
25.6
1900
760
Eclairage à LED
Discontinu
Trou vers le vert
4.9
280
100
Lampe à vapeur de
sodium haute
pression
(Lucalox 100W)
Discontinu
Raies jaunes
100
8000
soleil
Ecran d’ordinateur
Bougie