Présentation du TPE

23 01 2008

Ce site internet est dédié à notre TPE.

Nous tenterons de vous démontrer comment à partir d’une lampe basique, l’homme a su diversifier son utilisation afin de s’adapter à ses besoins, à partir du thème du progrès et de l’environnement.

Nous appelons ici lampes basiques, les lampes à incandescence classiques car elles sont la représentation que nous nous faisons d’une lampe.

 

Tout d’abord, il existe 3 familles de lampes : les lampes à incandescence (à filament); les lampes à décharges ( fluorescence) et la DEL (electroluminescence).

Point historique : La lampe, inventée par Thomas Edison en 1879 a été un sujet qui a laissé sceptique bon nombre de scientifiques. C’est une lampe « incombustible » capable de fonctionner de longs mois sans se détériorer en portant au rouge-blanc un mince fil de carbone dans une ampoule vide d’air. Le fonctionnement : (voir le schéma)

Les lampes à incandescence utilisent le principe de l’excitation des particules par la chaleur (rayonnement thermique soit incandescence). De nos jours, on utilise un filament de tungstène pour ses propriétés refractaires. En faisant traverser un courant électrique dans ce filament, cela le fait atteindre une température de 2823 Kelvins (2550 °C) ce qui augmente la vitesse de déplacement des électrons. Les électrons se rencontrent et libèrent de l’energie sous forme de chaleur et de particule visible par l’homme sous forme de lumière : les photons.

 La problématique de l’incandescence est de porter un filament très fin – de l’ordre du centième de milimètre de diamètre – à très haute temprature sans que celui-ci ne brule instantanément. En effet, le filament d’une ampoule à incandescence allumée est porté à une température exetrement élevée. Dans l’air, un tel phénomène briserait immédiatement le filament.

Or, pour qu’une combustion ait lieu il faut 3 conditions : Un combustible ( = ce qui s’allume, ici : le filament ), un comburant ( = ce qui allume le combustible  : le dioxygène de l’air) et une énergie d’activation ( = ce qui permet au feu de s’allumer, ici : la chaleur) Le principe de la lampe à incandescence consiste donc à placer le filament dans un milieu totalement vidé de dioxygàne. C’est la raison pour laquelle on l’entoure d’une paroi en verre totalement imperméable. Privé de comburant, le filament ne brûle pas.

  • Le bulbe de verre (1) joue le rôle d’enveloppe permettant au constituants intérieurs de fonctionner sous vide (avec absence de dioxygène).
  • Les gaz inertes à basse pression (2) permettent de ralentir l’évaporation du filament lorsque celui-ci est chauffé.
  • Le filament de tungstne (3) est un fil métallique bobiné ayant l’allure d’un ressort. C’est le constituant de la lampe qui émet la lumière lorsque celle-ci est en marche. On utilise environ 1 mètre de longueur de fil pour réaliser 3 centimètres de longueur de bobine. L’intêret est de chauffer une longueur maximale de fil afin de produire une quantité maximale de lumière dans un espace restreint.
  • Les fils conducteurs (4 et 5) permettent de relier les extrémités du filament aux bornes électriques de la lampes (culot et plot).
  • Les fils de support (6) et la monture en verre (7) permettent de fixer le filament au centre de la lampe (les fils conducteurs ne faisant que réaliser le contact avec les bornes électriques).
  • Les contacts électriques (8 et 11) sont le culot mtallique et le plot. Ils sont séparés par un isolant (10), la partie noire de l’ampoule juste au dessus du plot Le culot est en forme de pas de vis (9) afin de visser la lampe sur son support.


  • I) Des lampes adaptées aux différents milieux

    23 01 2008

    I) les lampes adaptées aux différents milieux :

    1) Les lampes à la maison:

    – Dans le jardin, il existe aujourd’hui des lampes « idéales ». Ce sont de lampes qui utilisent l’énergie solaire de la journée pour s’allumer la nuit, automatiquement. Une lampe capable d’éclairer sans consommer d’électricité, pourtant les lampes utilisées des lampes à incandescences.

    – Mais pour la maison?

    © Dans le garage, on utilise souvent les tubes fluorescents ou « néon », ils renferment un mélange d’argon et de vapeur de mercure très raréfié; une décharge électrique au travers de ce gaz, d’un bout à l’autre du tube, fait briller le mercure d’un rayonnement ultraviolet, qui excite une substance fluorescente (composés phosphorés) déposée sur la paroi interne du tube; cette substance émet en retour une lumière blanche. Les lampes dites économiques, qui se substituent de plus en plus aux lampes à incandescence, sont également des tubes fluorescents, dits compacts.

    ©Dans le salon, les lampes halogènes permettent une bonne ambiance, chaude et souvent d’intensité réglable.Ce sont des lampes à incandescence dans lesquelles on a ajouté un gaz de la famille des halogènes ou un de leurs dérivés (par exemple : I2, CH3Br ou CH2Br2). Ce gaz régénère le filament de tungstène (cycle halogène) et augmente ainsi fortement sa durée de vie. Les lampes halogènes ont un meilleur rendement que les lampes à incandescence classiques, car elles fonctionnent à plus haute température (environ 2900°C). L’ampoule doit alors être réalisée dans un matériau résistant à ces hautes températures : quartz ou verres spéciaux (d’où l’appellation courante de lampe quartz-iode). A cause de leur température plus élevée, les lampes halogènes émettent plus de rayonnements ultraviolets, qui ne sont pas absorbés par le quartz de l’ampoule; pour cette raison, on place généralement devant la lampe une fenêtre en matière plastique transparente ou en verre dont la fonction est d’absorber ces radiations nocives.

    Dans la salle de bain, les lampes « néon » étaient souvent utilisées.

    ©Dans la chambre, pour la lampe de chevet et la lampe suspendu au plafon, c’est la lampe à incandescence classique qui est la plus courante, mais elle commence à se faire détronner par la lampe à basse consommation.

    Dans toutes les pièces ci-dessus, les lampes à incandescence classiques ou à basse consomation restent très utilisées cependant le but de notre TPE est de vous montrer la diversification de la lampe, c’est pourquoi nous avons décidé de vous parler aussi de lampes plus spécifiques.

    2) Les domaines extérieurs

    -Lampe germicide

    Lampe germicide à vapeur de mercure

    Lampe germicide

    Une lampe germicide est un type spécial de lampe appartenant aux lampes à décharge, très semblable à une lampe fluorescente, qui émet des ultraviolets. Cette lumière ultraviolette ionise l’oxygène pour produire de l’ozone qui peut tuer beaucoup de germes pathogènes. La forme la plus répandue de lampe germicide est semblable à une lampe fluorescente ordinaire mais son tube ne contient pas de réactif phosphorescent. De plus, au lieu d’être constitué de verre de borosilicate ordinaire, le tube est fait de quartz. Ces modifications combinées permettent au rayonnement ultraviolet généré par l’arc de mercure de passer sans être modifié hors de la lampe. Le lumière qu’elles émettent n’est donc pas visible.

    On peut dire qu’il s’agit d’une lampe particulière car elle est principalement utilisée dans les milieux médicaux afin de stériliser les zones de travail et les outils mais elles sont également employées partout où l’ozone est désiré, comme par exemple, pour l’assainissement de l’eau d’un aquarium. Elles sont aussi utilisées par les géologues pour provoquer la fluorescence d’un échantillon minéral et ainsi aider à son identification.

    Cependant, la lumière UV produite par cette lampe, est nocive pour les humains et provoque des coups de soleil, cancer de la peau ou encore des troubles de la vision.

    -Lampe noire :

     

    Lampe noire

    La lampe noire est une lampe spéciale utilisées dans les boites de nuit qui a la particuliarité de donner une couleur bleutée à la couleur blanche. Cette lumière dite noire est composée de rayons UV, invisibles pour l’oeil. Si la lampe n’émettait que des UV, elle paraitrait totalement noire à l’oeil, cependant elle émet tout de même un peu de lumière visible.

    Lorsque les UV éclairent certains matériaux, il se produit un phénomène de fluorescence : le matériau absorbe les UV et réémet l’énergie lumineuse sous forme d’autres longueurs d’onde. C’est ainsi que les cols de chemises blancs réémettent une lumière blanche bleutée…

    En ce qui concerne leur fonctionnement, c’est le même procédé que pour un tube fluorescent « normal » (improprement appelé « tube néon »). Une décharge électrique est produite dans un gaz, qui est en fait du mercure à l’état de vapeur : les atomes ainsi excités émettent en grande partie dans l’UV.

    * dans un tube normal, le revêtement est tel que la fluorescence se fait dans la gamme visible : le revêtement absorbe les UV produits par le mercure et réémet de la lumière blanche.

    * dans le tube à lumière noire, le revêtement va plutôt favoriser l’émission des UV. En effet, elle contient une enveloppe en verre de Wood (contenant une forte concentration d’oxyde de nickel et de fer) qui absorbe le rayonnement visible et transmet les UV.

    Emettant des ultraviolets il faut être vigilent de ne pas regarder cette lumière en face car elle peut être nocive pour les yeux.

    – la lampe à décharge :

     

    Lampe à décharge

    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, il s’en suit une production de photons donc de lumière.

    Dans le cas de la lampe à incandescence, on utilise de l’énergie électrique afin de produire de la chaleur et chauffer un fil solide. C’est la chaleur produite qui permet d’émettre de la lumière par rayonnement thermique. Dans le cas de la lampe à décharge, la lumière est produite en chauffant un gaz avec un arc électrique.
        Le principe général d’une lampe à décharge consiste à appliquer une différence de potentiel (une tension) entre deux électrodes dans un milieu gazeux. L’application de cette tension provoque alors un déplacement des électrons libres d’une électrode vers l’autre. Les électrons, attirés par une électrode et repoussée par l’autre, subissent alors une accélération et acquirent ainsi de l’énergie. Au cours de leur déplacement, les électrons heurtent alors les atomes de gaz du milieu gazeux. Au moment du choc, les électrons cèdent aux atomes de gaz l’énergie qu’ils ont acquis durant leur déplacement. Ces derniers contiennent alors un surplus d’énergie qui les rend instable et réémettent cette énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. C’est à partir de ce rayonnement que l’on créé de la lumière dans une lampe à décharge.

    Ph?nom?ne du rayonnement ?lectromagn?tique
    1 – Circulation des ?lectrons ? l’application d’une tension.
    2 – Les ?lectrons acquirent de l’?nergie lorsqu’ils sont en mouvement 3 – Les ?lectrons heurtent les atomes de gaz durant leur d?placement
    4 – Les ?lectrons c?dent l’?nergie qu’ils ont accumul? aux atomes de gaz durant la collision 5 – Les atomes de gaz accumulent un exc?s d’?nergie qu’ils lib?rent sous forme de rayonnement

    Ces lampes permettent une diversité de couleur, pour créer des ambiances différentes.

    La couleur de la lumière émise par luminescence, par ces lampes dépend du gaz utilisé :

    • Le néon donne une couleur rouge orangée;

    • Le mercure s’approche du bleu tout en produisant une quantité d’ultraviolet importante ( voir lampe germicide);

    • Le sodium rayonne dans le jaune.  Souvent on le mélange avec du néon pour rendre la lumière orangée.

    • Le xénon de couleur gris blanc (récemment employé pour l’éclairage des automobiles) est le gaz qui permet de s’approcher le plus possible du blanc pur.



    II) Le coût des lampes

    23 01 2008

    Histogramme des prix en euros des différentes lampes qu’on trouve dans une grande surface

    Sur ce graphique, on peut voir les prix des différentes lampes qu’on trouve dans un supermarché. On constate que le prix à l’achat des lampes à incandescence est nettement plus bas que celui des halogènes et surtout des lampes à basse consommation. En tête des prix les plus chers se trouve celui de la DEL.

    Petit Calcul De la Consommation D’énergie :

    Cette étude du coût des lampes est faite à partir de la comparaison de la lampe à incandescence et de la lampes à basse consommation (fluocompacte).

    Pour cette étude, le prix en euro d’une lampe à incandescence va de 1€ (minimum) à 4€ (maximum)le prix en euro d’une lampe fluocompacte va de 7€ (minimum) à 11€ (maximum).

    Le coût moyen d’énergie consommé pour une heure d’utilisation de la lampe classique est de 0.80 € et pour la lampe basse consommation de 0.15€. La lampe basse consommation consomme environ 5 fois moins d’énergie que la lampe classique.

    Nous savons aussi que la lampe classique à une durée de vie d’environ 1000 heures contre environ 6000 à 15000 heures pour la lampe basse consommation cela dépend de la qualité de la lampe.

    Il faut donc 6 ampoules à incandescence pour obtenir la durée de vie minimale de la lampe fluocompacte.

    Prenons l’ampoule à incandescence la plus chère (4€) si on en achète 6 on obtient la même durée de vie que celle à basse consommation, ce qui fait 24€.

    Sachant que la consommation d’énergie pour une heure d’une ampoule à incandescence est de 0.80€ ,les 6 ampoules à 24€ consommeraient en 6000 heures : 6000 x 0.80 + 24 = 4824 euros

    et pour une ampoule qui durerait 15 000 heures : 15 000 x 0.80 +24 =12024 euros

    Alors que pour une ampoule fluocompacte (la plus chère de 11€) qui dure 6000 heures, la consommation d’énergie serait de : 6000 x 0.15 +11 = 911 euros

    Et pour une ampoule qui dure 15000 heures : 15000 x 0.15 + 11 = 2261 euros

    Avec une ampoule basse consommation qui dure 6000 heures, on économise environ 3900 euros.

    Avec une ampoule basse consommation qui dure 15 000 heures, on économise environ 9700 euros ANALYSE DU GRAPHIQUE: (logiciel Microsoft exel)Sur ce graphique est représenté, en ordonnées le prix en euro de deux lampes :-la lampe à incandescence : de 1 € (minimum en violet) et de 4 € (maximum rouge)

    -la lampe à économie d’énergie : de 7€ euro (minimum vert) et de 11€ (maximum bleu).

    En abscisses, est représenté la durée jusqu’à 24heures.

    Ce graphique représente la quantité d’énergie consommée au cours de 24 heures pour chaques lampes.

    Ce graphique a été réalisé grâce à une fonction affine sous la forme de y = ax + b Où a représente le nombre d’heures, x est la consommation d’énergie en une heure par un ampoule à incandescence (0.80 €) et par une ampoule à basse consommation (0.15 € ) et où b est le prix de l’ampoule.•Pour une ampoule à incandescence de 1€ et pour une durée de 1h le calcul est : 1 x 0.8 + 1.•Pour une ampoule à incandescence de 4€ et pour une durée de 2h le calcul est : 2 x 0.8 + 4

    •Pour une ampoule fluocompacte de 7€ et pour une durée de 10 h le calcul est : 10 x 0.15 +7

    •Pour une ampoule fluocompacte de11€ et pour une durée de 20h le calcul est : 20 x 0.15 + 11

    On peut donc voir sur le graphique que la lampe fluocompacte de 7€ devient rentable par rapport à la lampe classique de 1€ à partir de 9h.

    La lampe fluocompacte de 11€ devient rentable par rapport à la lampe classique de 4€ à partir de 11h.

    Au bout de quatre heures une lampe fluocompacte à 7€ devient plus rentable qu’une lampe classique a 4€

    On peut voir aussi que les lampes à incandescence consomme beaucoup d’énergie par rapport aux courbes des lampes basse consommation qui augmentent peu.

    C’est pourquoi il faut privilégier les lampes basse consommation car elle nous permettent de faire des économies, elles offrent une meilleure rentabilité que les lampes à incandescence elles permettent aussi de consommer beaucoup moins d’énergie ( 5fois moins).

    En choisissant une ampoule fluocompacte à 7 € plutôt qu’une ampoule classique à 3 €, on assure une durée de vie 6 fois plus importante à son éclairage, tout en faisant des économies sur sa facture. En effet, pendant la durée de vie d’une ampoule classique ( 1000h ), la fluocompacte dépense 150 € alors que l’incandescente consomme 800 €, c’est à dire plus de 5 fois plus. Il vaut donc mieux choisir une lampe fluocompacte quitte à la payer plus cher à l’achat car elle se révèle par la suite plus durable et surtout plus économique. Cette lampe est donc avantageuse car elle consomme peu d’énergie, cependant, elle peut être dangereuse pour l’environnement.



    III) Les lampes et l’environnement

    23 01 2008

    III. Les lampes et l’environnement :

    • 1) La lampes basse consommation ou fluocompacte:

    Lampe fluorescente compacte

    Si l’on veut un éclairage écologique, On peut s’équiper d’ampoules compactes fluorescente (ou basse consommation), plus performante que les ampoules classiques car elles n’ont pas besoin de produire de la chaleur pour éclairer.

    La lampe fluocompacte est un tube fluorescent en version miniature. A la cathode du tube (borne positive), un filament produit des électrons. L’électricité se propage dans l’intérieur du tube provoquant des va-et-vient régulier d’électrons. Ces électrons percutent des atomes de mercure ce qui émet une lumière invisible, les ultraviolets. Les ultraviolets heurtent une couche fluorescente composé de sels et phosphores en surface du tube. Ils réagissent avec les ultraviolets en émettent une lumière visible blanche.

    Les avantages de la lampe basse consommation :

    -La durée de vie : de 8000 à 10 000 heures, soit 13 fois plus qu’une ampoule à incandescente

    -Le rendu des couleurs des objets éclairés est excellent.

    -Elles permettent de réaliser des économies de consommation énergétique pouvant atteindre 75% comparativement aux ampoules à incandescence.

    Le point négatif : La lampe fluocompactes contient du mercure, gaz toxique, et elles sont donc difficile à recycler. Ils existent cependant des usines qui les recyclent.

    Selon Energy star (programme international sur l’efficacité énergétique) pour la protection de l’environnement, si chaque ménage remplaçait une seule ampoule par une ampoule fluocompacte, la réduction de pollution équivaudrait à la suppression d’un million de voiture.

    Au niveau environnemental, la lampe à incandescence peut être intéressante. Dans les pays à climat froid par exemple le Canada, elle a une double fonction. En effet comme elle produit de la chaleur, elle permet de réchauffer l’atmosphère d’une pièce. Si on les supprimait, la consommation de chauffage augmenterait.

    Le 19 octobre 2007 : Grenelle de l’environnement : Plan d’action pour l’environnement organisé par l’Etat.

    Greenpeace (association qui défend la nature) demande au gouvernement d’interdire la commercialisation des ampoules à incandescence d’ici a 2010. Les ampoules à incandescence font appel à une technologie de 1870 qui est devenue obsolète. Les interdire en France permettrait d’économiser 11TWh/an. La priorité doit être donné aux économies d’énergie. Les ampoules à incandescence gaspillent 95% de l’énergie qu’elles consomment en chaleur. Les ampoules basse consommation consomment 5fois moins et permettent d’économiser 8 euro par an pour chaque ampoule changée. A l’échelle européenne interdire ces ampoules permettrait de fermer 25 centrales électriques, d’économiser 32 millions de tonnes de CO2 par an et 3 à 5 milliards d’euros par an.

    • 2) La DEL: lampe d’avenir:

    Lampes à DEL

    N’existe t-il pas des lampes utilisant peu d’energie, ayant un bon rendement lumineux et ne polluant pas ? Et bien si, il en existe une !

    La DEL est une lampe qui a un avenir très prometteur :

    -Elle consomme peu d’énergie car elle ne chauffe pas.

    -Elle a une très longue durée de vie (jusqu’à 100 000 heures), même si elle est relativement chère à l’achat.

    -Faible à très faible consommation électrique due à un très bon rendement.

    -l’encombrement est réduit.

    -Grande fiabilité

    -Les DEL prennent des formes de plus en plus moderne pour s’adapter à nos goûts :

    ©©

    Cependant elles ont quelques inconvénients :

    -le prix à l’achat des lampes à DEL reste deux à quatre fois plus élevé que celui d’une lampe classique.

    -Les DEL ne supportent pas les hautes températures.

    -Les DEL bleues ainsi que les DEL blanches contiennent un spectre bleu de forte intensité dangereux pour la rétine si elles entrent dans le champ de vision.

    La DEL produit de la lumière par électroluminescence dans un semi conducteur, solide, presque insensible aux chocs. La luminescence est la propriété qu’ont certaines substances d’émettre de la lumière (dite « froide ») à basse température et basse tension sous l’effet d’une excitation d’électrons. Une partie de l’énergie absorbée au cours de l’excitation est restituée sous forme de photons d’énergie (c’est-à-dire de lumière). Contrairement aux ampoules

    L’environnement devient un des débats les plus important de notre société puisqu’il s’agit de sauver notre planète, c’est pourquoi, les LED sont donc les lampes d’avenir elle réduisent la consommation d’énergie considérablement et permettent de respecter la planète. De plus, en achetant les LED nous pouvons influencer le marché, tirer les prix vers le bas et les rendre plus accessible aux pays en développement.

    *Cependant la meilleure lumière reste, de loin, la lumière naturelle !*

    Nous pouvons désormais dire que la lampe classique s’est considérablement diversifier : Les lampes peuvent se classer en trois catégories : les lampes à incandescence ( à filament) ; les lampes à décharge (fluorescence) et la DEL (électroluminescence). Cette évolution nous a permis, dans le cas de l’environnement, de s’adapter à la situation dans laquelle nous nous trouvons actuellement.