Sources lumineuses, loi de Wien

Sources lumineuses, loi de Wien
Notions et contenus
Compétences attendues
Différentes sources de lumière : étoiles, lampes variées, laser, DEL, etc.
Domaines des ondes électromagnétiques.
Couleur des corps chauffés. Loi de Wien.
Distinguer une source polychromatique d’une source monochromatique
caractérisée par une longueur d’onde dans le vide.
Connaître les limites en longueur d’onde dans le vide du domaine
visible et situer les rayonnements infrarouges et ultraviolets.
Exploiter la loi de Wien, son expression étant donnée.
I)
Sources lumineuses
Nous ne considérons ici que les sources primaires
1) Sources polychromatiques, sources monochromatiques
Une source de lumière est monochromatique si la lumière qu'elle émet n'est composée que d'une seule radiation.
Autrement, la lumière sera polychromatique.
Par conséquent, le spectre d'émission d'une source monochromatique ne doit comporter qu'un seul pic.
Spectre d'émission du laser Hélium Néon
Spectre UV-visible d'émission d'une lampe à vapeur de mercure
Chaque radiation est caractérisée par sa longueur d'onde (notation: ) dans le vide.  s'exprime en mètres (m).
2) Différentes sources lumineuses
a) Les étoiles
Il s'agit d'une boule de gaz dans laquelle la fusion nucléaire
engendre de l'énergie radiative. Les astronomes observent les
spectres des étoiles afin d'en tirer une foule de renseignements
notamment sur la composition de la photosphère (voir cours de
seconde).
La lumière des étoiles est une lumière polychromatique.
Spectre d'émission du Soleil.
Les raies sombres d'absorption sont causées par les éléments
chimiques présents dans la photosphère de l'étoile.
b) Les lampes
On distingue plusieurs types de lampes:
- Lampe à incandescence
Un filament dans une ampoule de gaz inerte (pour éviter sa détérioration) est parcouru par un courant électrique.
Il s'échauffe et émet de la lumière. Son spectre est continu mais rogné du coté du bleu si la lampe est sous
alimentée.
La lumière des lampes à incandescence est polychromatique.
Spectres continus d'une lampe à incandescence soumise à une tension de plus en plus importante
- Tubes à décharge dans un gaz
Des décharges électriques traversent un gaz qui s'ionise et
émet de la lumière en reprenant son état fondamental.
Les radiations émises sont caractéristiques du gaz.
Ce sont des lumières polychromatiques.
- Les lampes basse consommation
Ce sont des tubes contenant de la vapeur de mercure. L'ajout de peintures spéciales permet d'obtenir une lumière
blanche (donc polychromatique) proche de celle des lampes à incandescence (spectre quasi continu).
L'avantage principal de ces lampes sur les lampes à incandescence est leur rendement lumineux supérieur.
En revanche, la présence de mercure nécessite de prendre les mesures nécessaires en termes de gestion des
déchets.
- Les diodes électroluminescentes (LED ou DEL)
Basée sur les propriétés des semi conducteurs, les lampes à LED blanches sont aujourd'hui en plein essor.
Outre des lampes classiques d'habitation, elles équipent aussi les lampes de poche et les phares de voitures.
Si la lumière et blanche, il s'agit d'une source de lumière polychromatique.
Les LED de couleur sont utilisées comme lampes témoin (télévision,
tableau de bord d'une voiture…) mais équipent aussi les feux de
signalisation.
Ces LED ont des couleurs spécifiques. Il s'agit de sources de lumière
monochromatique.
Spectres de LED de différentes couleurs
- Lampe à pétrole
Basée sur la combustion d'un hydrocarbure, la lumière émise est jaunâtre et composée de plusieurs radiations.
C'est une lumière polychromatique. Idem pour les lampes à huile et les bougies!
c) Le LASER
Acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission Radiation (amplification de la lumière par
rayonnement en émission stimulée), la lumière produite par un laser est très monochromatique.
La longueur d'onde qui lui est associée est caractéristique du gaz présent dans le laser.
Laser He/Ne:  = 632,8 nm
Vert 532,0 nm
3) Domaine du visible
La lumière visible est une infime partie des radiations
électromagnétiques.
Les limites en longueur d'onde de la lumière visible sont 380 (violet)
et 780 nm (rouge), valeurs que l'on a tendance à arrondir entre 400 et
800 nm.
Si  < 380 nm, on se trouve dans le domaine des ultraviolets.
Si  > 780 nm, on se trouve dans le domaine des infrarouges.
On trouvera également les rayons X ou  pour de très courtes
longueurs d'onde et de l'autre coté les micro-ondes et les ondes radio.
II)
Loi de Wien
1) Couleur des corps chauffés
Un corps chauffé à une température suffisamment élevée va émettre de la
lumière. Celle-ci sera tout d'abord rouge puis va devenir jaune voire
blanche si la température augmente.
C'est ce qu'on peut observer lorsqu'on augmente progressivement la tension
aux bornes d'une lampe à incandescence.
En 1862 Gustav Kirchhoff (D) montre qu'il existe des radiations invisibles
produites par un corps chauffé. Ces radiations se situent après le rouge dans
Gustav Kirchhoff
le spectre. Il introduit alors la notion de rayonnement du corps noir.
1824 - 1887
En 1896, un autre scientifique allemand: Wilhelm Wien publie la loi qui
porte son nom permettant de quantifier ce rayonnement.
Wilhelm Wien
1864 - 1928
2) Loi de Wien
Les sources chaudes
Les sources de lumière chaude sont des corps dont la température est assez élevée pour qu'il y ait production et
émission de lumière. Lorsque la variation de l'intensité lumineuse ne dépend que de la température, on parle de
corps noir.
On peut citer comme exemples de sources chaudes: le Soleil, les braises, la lave d'un volcan ou encore le
filament d'une lampe à incandescence.
Ces sources sont caractérisées par un spectre continu. Cependant, l'intensité n'est pas la même pour toutes les
longueurs d'onde: il existe une valeur de longueur d'onde
notée λmax pour laquelle l'intensité lumineuse est maximale.
Expression de la loi de Wien
La loi de Wien s'applique aux sources chaudes et permet de
relier
la température T d'une source chaude à la longueur d'onde de
l'intensité lumineuse maximale λmax.
La loi de Wien peut s'écrire sous forme de la formule suivante:
λmax x T = 2,898 x 10-3
Dans cette formule λmax est en mètre (m),
T est en Kelvin (K)
Le Kelvin
Dans la loi de Wien, la température s'exprime en Kelvin qui est l'unité du système international. Cette
température est aussi appelée température absolue et a comme origine la plus petite température qui puisse être
atteinte soit – 273 °C.
Si θ est la température exprimée en degré Celsius et T la température exprimée en Kelvin, alors la relation
entre les deux est: T = θ + 273
Utilisation de la loi de Wien
La loi de Wien peut être utilisée pour déterminer la température d'une source chaude dont le spectre et λmax sont
connus ou inversement il est possible de déterminer λmax à partir de la température d'une source chaude.
La première utilisation est la plus courante, elle permet notamment de déterminer la température de la surface
d'une étoile.
1) Quelles sont les valeurs limites des longueurs d'onde du visible?
2) Dans une lampe à incandescence, le filament est porté à une température  = 3000°C.
Donner la valeur T de cette température en Kelvin.
3) En déduire la valeur de la longueur d'onde λmax du maximum d'intensité lumineuse émise par cette lampe.
4) Cette radiation appartient elle au domaine du visible? Si non, dire s'il s'agit d'infrarouge, d'ultraviolet, de
micro onde ou de rayon X.
5) Rigel est une étoile bleue de la constellation d'Orion. Sa surface est à la température de 10 000 °C environ
et émet un rayonnement qui vérifie la loi de Wien, comme la majorité des étoiles.
Calculer la valeur de la longueur d'onde de la radiation correspondant au maximum d'intensité lumineuse.
6) Dans quel domaine se situe cette radiation?