Ampoule à incandescence: modèle du corps noir

Le filament d'une ampoule à incandescence produit de la lumière lorsque le courant électrique qui le traverse le porte à une température suffisante. Avec un variateur de lumière, on peut observer que plus la tension est élevée, plus le filament est lumineux et plus sa lumière est blanche. Le rayonnement du corps noir décrit très bien l'émission de lumière du filament, que ce soit une ampoule à incandescence ou une ampoule halogène.

Le filament d'une ampoule à incandescence peut être modélisé par un corps noir.

Modèle du corps noir pour l'ampoule à incandescence

Ci dessous, on aperçoit un filament d'ampoule qui rougeoie à cause de la chaleur qu'il dégage.

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Ci dessus, le filament d'une lampe halogène 12 Volts / 35 Watts porté au rouge. La puissance est réduite grâce à un variateur. On remarque ici que les spires du centre "se tiennent chaud" contrairement aux spires vers le bord qui sont moins lumineuses.

Description du corps noir

Le corps noir est un objet qui absorbe toutes les radiations qu'il reçoit, en particulier toute la lumière : il apparaît donc noir. Sauf dans un cas : s'il est porté à haute température. Il émet alors lui-même spontanément de la lumière par rayonnement thermique. Le filament d'une ampoule à incandescence allumée est un parfait exemple.

En pratique, on peut réaliser un corps noir en créant une boîte à parois opaques et hermétique, percée d'un très petit trou. En regardant dans le trou, on ne voit que du noir ! En effet, toute lumière qui entre par ce trou n'a aucune chance de ressortir...

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Teinte du corps noir en fonction de sa température

Lorsqu'on augmente la température d'un corps noir, ce corps noir se met à rougeoyer, jaunir, plus blanchir et enfin bleuir. A chaque température correspond une teinte. La teinte se décrit par la température de couleur (voir ci dessus). Pour un corps noir, la température de couleur est égale à la température du corps noir. Pour décrire d'autres objets, la température de couleur est la température que devrait avoir un corps noir théorique pour émettre une lumière de teinte la plus proche.

Par exemple, un tube fluorescent blanc froid peut avoir une température de couleur de 6500 K alors qu'un tube de ton chaud sera à 2700 K. Le ciel bleu peut atteindre 20000 K alors qu'une flamme de bougie se situe vers 1800 K. Pour les ampoules à incandescence, la température de couleur va de 2500 à 3000 K.

Couleurs en photographie : filtre CTO et CTB

On parle également de température de couleur en photographie. Pour évaluer la température de couleur d'un champ visuel, on peut utiliser un appareil spécifique qui compare la quantité de bleu à la quantité de rouge émise par l'environnement. Ainsi, un ciel bleu d'été en plein jour est très "froid" alors qu'un coucher de soleil est "chaud".

Il existe des filtres colorés (gélatines de couleur) qui corrigent la température de couleur d'une source lumineuse. Si on souhaite obtenir un rendu semblable à celui d'un filament de tungstène (température de couleur 3200 K) avec une lampe à décharge de température de couleur 5600 K, on place un filtre CTO devant la lampe. Cette abréviation signifie "Convert To Orange", également traduit en "Correcteur de Température Orange". Il peut convertir une température de couleur de 5600 K vers 3200 K. Le filtre inverse est bleuté et s'appelle CTB (correcteur de température bleu).

De nombreux logiciels de traitement d'image offrent le réglage de la balance des couleurs ou même de température de couleur pour rendre une image plutôt "froide" ou "chaude" (ci dessous).

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Photographies avec teinte froide et teinte chaude

Remarque : Une couleur froide correspond à une température de couleur élevée !

Rendement lumineux : définition

Le rendement lumineux est la quantité de Lumen par Watt qu'émet une source.

Par exemple, le rendement lumineux d'une ampoule basse consommation de 15 W est de 55 lm/W.

Cette ampoule fournit 15 x 55 = 825 lm.

L'efficacité lumineuse est le rapport du rendement lumineux avec le rendement maximal de 683 lm/W.

Ces deux notions ne doivent pas être confondues, même si elles sont proportionnelles entre elles !Le rendement lumineux du corps noir est maximal vers 7000 K (ou 6300 K selon les auteurs) et atteint 95 lm/W. Or, pour la lumière blanche, on a le rapport de conversion de 240 lm/W. En calculant 95 / 240 = 0,40, on peut affirmer que 40 % de l'énergie émise par ce corps noir à 7000 K est sous forme lumineuse, toutes couleurs confondues. Cependant, la notion d'efficacité lumineuse est définie en divisant les 95 lm/W par la valeur maximale possible de 683 lm/W.

A 7000 K, l'efficacité lumineuse d'un corps noir est de 95/683 = 14 %.

C'est à dire qu'avec seulement 14 % de la puissance rayonnée par ce corps noir mais émise à 555 nm, l'intensité lumineuse perçue par l’œil humain serait identique. Un rayonnement monochromatique rouge contient une puissance située entièrement dans le visible mais peut n'avoir qu'une efficacité lumineuse de 20 % : on dit alors que "le rouge est 5 fois moins lumineux que le vert de longueur d'onde 555 nm".

Rendement lumineux en fonction de la température

Quel est la fraction d'énergie visible (la lumière) émise par un corps noir ? En fonction de la température, le "rendement lumineux" d'un corps noir varie beaucoup :

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Rendement lumineux d'un corps noir en fonction de sa température

La fraction d'énergie rayonnée dans la partie visible varie en fonction de la température.

Faibles températures : le corps noir rougeoie. La plupart de l'énergie est émise dans l'infrarouge.

filament modele corps noir

Filament d'une ampoule halogène qui rougeoie (tension très réduite)

Très fortes températures : le corps noir brille d'un éclat bleuté. La plupart de l'énergie est émise dans l'ultraviolet et les rayons X.

Pour les ampoules à filament (incandescence et halogène), les températures sont toujours inférieures à 3695 K (fusion du tungstène). Le rendement lumineux augmente très vite avec la température du filament. Le développement d'ampoules halogène performantes repose sur cette augmentation de température tout en garantissant une durée de vie convenable.

C'est en fonction de ce rendement lumineux et de la puissance électrique que sont définies les classes énergétiques de A et G (voir article "Classe énergétique d'une ampoule").

filament ampoule incandescence modele corps noir

Emission de lumière d'un filament modélisé par un corps noir