Lampe à incandescence : énergie perdue sous forme de chaleur ou de lumière non visible?

[apap]

Bonjour,
On voit sur internet qu'une lampe à incandescence émet seulement de l'ordre de 5% de lumière visible, le reste est de la chaleur.
J'ai voulu comprendre un peu, en particulier comprendre la part de lumière non visible émise, mais je n'ai pas trouvé de réponse complètement satisfaisante.

En faisant l'hypothèse que toute l'énergie électrique était convertie en rayonnement lumineux, et que le filament de tungstène est un corps noir, et que la partie du spectre visible est entre 400 et 650nm, je trouve (on utilisant la courbe de Planck d'équation rho = 8 PI h c / lambda**5 / (exp(h c / (lambda k T) ) - 1):
* tungstène à 2227°C (2500K) : 2% d'énergie lumineuse visible (c'est la température trouvée sur internet)
* tungstène à 2658°C (2931K) : 5% d'énergie lumineuse visible
* surface du soleil à 5505°C ( 5778K) : 30% d'énergie lumineuse visible

Si une part d'énergie électrique est dissipée directement sous forme de chaleur, et évacuée par conduction ou convection, on trouvera obligatoirement moins de 2% d'énergie émise sous forme de lumière visible.

Donc, je pense :
* qu'il est erroné de dire que la lampe à incandescence émet 5% sous forme de lumière visible; cela me semble être au maximum 2%, voir moins si beaucoup d'énergie est perdue sous forme de chaleur.
* qu'il est erroné de dire que 95% est dépensé sous forme de chaleur, il me semble qu'une grande partie est émise sous forme de rayonnement non visible (certes, une partie est de l'IR).

Sauriez-vous préciser la part de chaque composant : chaleur, lumière non visible, lumière visible?
(cela peut aider à comprendre si on peut à nouveau utiliser des lampes à incandescence en enrobant le fil de tungstène par un produit retransformant les rayonnements non visibles en rayonnement visible)
-----

[Opabinia]

Bonjour,

La puissance thermique produite par effet Joule (P = UI = RI²) est évacuée du filament incandescent
- par conduction thermique, aux points de contact avec les supports;
- par la convection thermique du gaz présent dans l'ampoule,
- par émission radiative, ce dernier phénomène prenant une part très rapidement croissante lorsque la température du filament augmente.

Evaluer la proportion de la puissance (P') rayonnée dans le visible exige de connaître beaucoup de données relative à la source, et à ses conditions de fonctionnement; la réponses expérimentale la plus simple est la mesure de (P'), à l'aide d'un récepteur approprié,

Ce qu'on appelle la température du filament n'est qu'une valeur moyenne, déductible des valeurs de la résistance

T = T°.F(R/R°)

observées dans des conditions données (t° = 20 °C , par exemple); on observe facilement sur l'image projetée du filament incandescent une couleur nettement plus sombre au voisinage des supports, ce qui révèle les pertes thermiques par conduction.
Une observation plus détaillée du filament hélicoïdal montre que les bords internes sont nettement plus blancs et brillants, ce qui témoigne d'une température de surface nettement plus élevée.
La température locale varie dons d'une façon importance sur des distances très inférieures au millimètre.

Parler de la température du filament, c'est donc se référer à une moyenne commode pour l'évaluation du rayonnement du corps noir, mais qui ne dispense pas de connaître d'autres données expérimentales.

[penthode]

(cela peut aider à comprendre si on peut à nouveau utiliser des lampes à incandescence en enrobant le fil de tungstène par un produit retransformant les rayonnements non visibles en rayonnement visible)

autant on sais passer de rayons énergétique vers le visible : UV > visible (tubes fluos , leds , etc)

mais passer IR > visible , la mécaqua s'y oppose

[apap]

Merci pour vos réponses.
En reprenant des calculs (qui sont certes approximatifs), voici le % du rayonnement d'un corps noir en UV / visible / IR :
Soleil à 5500°C : UV : 13% Visible : 30% IR : 57%
Tungstène à 2227°C : UV : 0,04% Visible : 2% IR : 98%
Donc, même avec le soleil, la part d'énergie UV n'est que de 13%. Et avec le tungstène, elle est quasi nulle.
Je ne vois pas comment des chercheurs peuvent avoir pensé améliorer fortement les émissions d'une lampe à incandescence en rajoutant une couche sur le tungstène.
Cordialement,

Au vu du fait que le filament change de couleur sur une faible longueur, la part d'énergie perdue par conduction est faible, mais celle par convection est sûrement non négligeable.

Et si la part d'IR ne peut être retransformée en visible, je ne vois pas comment les ampoules à incandescence pourraient être améliorées pour revenir sur le marché. cf article : https://www.futura-sciences.com/scie...revenir-61191/

[A voir en vidéo sur Futura]

[RomVi]

autant on sais passer de rayons énergétique vers le visible : UV > visible (tubes fluos , leds , etc)

mais passer IR > visible , la mécaqua s'y oppose

C'est pourtant possible, par génération de seconde harmonique avec un cristal doubleur de fréquence, mais ça ne fonctionnerai pas pour une ampoule à incandescence.

* qu'il est erroné de dire que 95% est dépensé sous forme de chaleur, il me semble qu'une grande partie est émise sous forme de rayonnement non visible (certes, une partie est de l'IR).

C'est pourtant le cas, ce qui n'est pas visible est dans le domaine de l'IR, qu'il soit proche ou lointain. En réalité on peut même dire que la partie visible est aussi de la chaleur.
Une ampoule halogène produit bien 5% de lumière visible, et un peu d'IR proche, jusqu'à la fréquence de coupure du verre (2.5µm). le reste du spectre est alors absorbé et émis à nouveau à une température plus basse (celle de la surface de l'ampoule).

Au vu du fait que le filament change de couleur sur une faible longueur, la part d'énergie perdue par conduction est faible, mais celle par convection est sûrement non négligeable.

Je ne sais pas de quelle part tu parles, mais la convection dans une ampoule est très faible.

[gts2]

De ce que j'ai compris de l'article, ils ne transforment pas l'IR en visible. Ils diminuent les pertes par rayonnement IR, dit autrement c'est une sorte d'effet de serre autour du filament. Donc dans le bilan Pelec=P(IR)+P(cond)+P(conv)+P( visible), on diminue P(IR).

[RomVi]

Ce n'est pas exactement un effet de serre, mais un traitement interférentiel par multicouches d'indices différents.
L'épaisseur des couches permet de produire des interférences dans le domaine de l'IR (ce qui provoque sa réflexion) et laisse passer la lumière visible ; le système est similaire à ce que l'on trouve sur certains pare brises dit "athermiques" qui montre une teinte un peu rouge par réflexion.
En renvoyant les IR vers le filament on augmente sa température et le système devient plus efficace, mais la réflexion est stupide, car pour parvenir au même résultat il suffit d'alimenter l'ampoule sous une plus grande intensité. Alors pourquoi ne le fait on pas ? Parce que l'ampoule dure beaucoup moins longtemps, le tungstène finit par fondre et le filament se coupe.

[gts2]

OK compris pour le filtre interférentiel.
Sinon on peut, plutôt que d'augmenter la température, baisser la tension de manière à avoir la même température, et la puissance électrique diminue.

[trebor]

Bonjour à tous,

Si c'est possible et réalisable ?

Celui qui trouvera comment parvenir à transformer des I.R émis en basse température en lumière visible, il aura le jackpot

[gts2]

Celui qui trouvera comment parvenir à transformer des I.R émis en basse température en lumière visible, il aura le jackpot

On est d'accord, mais ce n'est pas ce qui est dit dans l'article en référence.

[apap]

Corrigé : une erreur de formule, qui ne change pas le sens global : il faut mettre c² dans la formule de Planck
formule de Planck : rho = 8 PI h c² Lambda**-5 / ( exp (h c/(lambda k T)) -1)

[apap]

Merci pour toutes les réponses, qui m'ont aidé à découvrir un domaine dont je n'avais pas percu tous les aspects, et qui est plus complexe que ce que je pensais.

J'ai refait quelques calculs, en utilisant utilisant précisément les chiffres estimant l'efficacité lumineuse spectrale de l'oeil humain.

J'ai extrait la portion de l'énergie de rayonnement qui est bien perçue par l'oeil. Cela donne, en considérant que toute l'énergie est émise sous forme de rayonnement par le filament d'une lampe :

* Tungstène à 2227°C :
6,4% de l'énergie rayonnée émise dans la partie visible
seul 1,3% de l'énergie rayonnée est bien perçue, car l'oeil perçoit très bien le vert à 555nm, et moins bien de reste de la bande visible qui va de 380 à 780nm
le pic du rayonnement est à 1 159nm (dans l'IR, dommage...)

* Tungstène à 2658°C :
12,6% de l'énergie rayonnée émise dans la partie visible
seul 3,1% de l'énergie rayonnée est bien perçue, car l'oeil perçoit très bien le vert à 555nm, et moins bien de reste de la bande visible qui va de 380 à 780nm
le pic du rayonnement est à 989nm encore dans l'IR

* Le soleil à 5505°C :
48,5% de l'énergie rayonnée émise dans la partie visible
seul 15,0% de l'énergie rayonnée est bien perçue, car l'oeil perçoit très bien le vert à 555nm, et moins bien de reste de la bande visible qui va de 380 à 780nm
le pic du rayonnement est à 502nm dans le vert (super, on dirait que le soleil a été fait pour l'oeil...)

Toute l'énergie émise sous forme de rayonnement se retrouve certes transformée en chaleur, dans la lampe ou en-dehors de la lampe, une fois qu'elle a été absorbée.
Je souhaitais savoir la part d'énergie perdue directement en chaleur par conduction du fil de tungstene, et par convection dans le gaz qui l'entoure. Mais il est possible que ce soit négligeable par rapport au rayonnement. En tout cas, cela ne fait que baisser la part l'énergie consommée exploitable par l'oeil humain.

Je n'ai pas de certitude sur mes calculs.
Pour aller plus loin, regarder sur internet avec les mots clé :
* efficacité lumineuse spectrale.
* rayonnement du corps noir.
* spectre visible.
* https://leclairage.fr/ très intéressant pour comprendre tous les aspects relatifs aux luminaires

[RomVi]

Bonjour

Ça n'a pas de sens de dire que seule une partie du rayonnement visible est perçue car l’œil est plus sensible dans le vert. L'efficacité lumineuse et l'éclairement sont 2 notions différentes.
En ce qui concerne la part convective dans l'ampoule : Pour la déterminer il faudrait connaitre la pression dans l'ampoule, mais grossièrement à pression atmosphérique et dans l'air la part convective du filament serait d'environ 1 millième de la partie radiative. On peut la considérer comme négligeable.

[apap]

OK, j'ai mal formulé.
Et pour la partie convective, comment estimez-vous que cela représente 1/1000 ième?
Qu'est-ce qui fait que l'enveloppe en verre est brûlante : la chaleur transmise par convection? les radiations dont la longueur d'onde font qu'elles sont absorbées par le verre?

[apap]

Petit calcul sur les radiations bloquées par l'enveloppe en verre, qui bloquent les radiations de longueur d'onde supérieure à 2,5um :
* T° tungstène = 2227°C : 25.5% de l'ensemble des radiations émises sont bloquées
* T° tungstène = 2658°C : 18.5% de l'ensemble des radiations émises sont bloquées
Ce n'est pas négligeable, et cela explique pourquoi les ampoules chauffent. Il n'est pas nécessaire de penser qu'elles chauffent à cause de la chaleur transmise par convection, les IR bloqués suffisent à l'expliquer.

[RomVi]

OK, j'ai mal formulé.
Et pour la partie convective, comment estimez-vous que cela représente 1/1000 ième?

J'ai calculé le coefficient d'échange radiatif et convectif, mais à cette température le calcul est très approximatif.

Qu'est-ce qui fait que l'enveloppe en verre est brûlante : la chaleur transmise par convection? les radiations dont la longueur d'onde font qu'elles sont absorbées par le verre?

Je vois que tu as trouvé la raison tout seul. En ce qui concerne la part par conduction il est aussi possible de l'estimer, connaissant la géométrie des fils qui relient le filament au culot. Sans même faire le calcul je dirais que cette proportion est également insignifiante.

En ce qui concerne la couleur de la lumière il se trouve en fait qu'une lumière rouge est moins bien perçue, mais est plus efficace plus éclairer.