vignette|upright=0.75|Lampe à incandescence classique Une lampe à incandescence, ou ampoule à incandescence par métonymie, est une lampe électrique qui éclaire en portant à incandescence par effet Joule un filament de tungstène, le métal qui a le plus haut point de fusion ().
Expérimentée au milieu du , la lampe à incandescence, perfectionnée au cours du , est devenue au cours de ce siècle la principale source d'éclairage. Au , elle est progressivement remplacée en raison de sa mauvaise efficacité lumineuse.
Le filament de carbone sous vide des débuts a disparu après la mise au point du filament de tungstène sous gaz noble. Ce procédé, dit « classique », s'est maintenu après l'invention de la « lampe à incandescence halogène », plus chère, dont le gaz régénère le filament lorsqu'il se sublime sous l'effet d'une température élevée.
Les lampes classiques durent d'autant plus longtemps qu'elles éclairent moins bien. Les industriels fabricants se sont entendus pour produire des lampes d'une durée moyenne de fonctionnement de . Cet accord entre les membres du cartel Phœbus a suscité des soupçons d'une entente illicite, destinée à conforter les profits de l'industrie plutôt qu'à permettre la comparaison entre les produits.
Historique
Les premières expériences d'éclairage électrique par incandescence datent du milieu du .
En 1835, James Bowman Lindsay présente à Dundee une lampe électrique à lumière constante, probablement à incandescence, qui lui permet de (). En 1858 et 1859 les Français Charles de Changy et Théodose du Moncel essaient aussi des systèmes d'éclairage électrique à incandescence..
En 1860, le britannique Joseph Swan démontre que, sous vide d'air, l'incandescence peut durer des heures sans détruire le filament. La mise au point de pompes à vide efficaces à partir de 1875 lui permet de présenter en 1879 une lampe à incandescence fonctionnelle, avec un filament de carbone sous vide. La même année Thomas Edison conçoit et met sur le marché une ampoule dont le filament est une fibre de coton carbonisée. Il met au point un procédé de fabrication industrielle des ampoules. Un tribunal britannique reconnaît l'antériorité de Joseph Swan pour le filament, mais celui-ci ne propose pas de procédé de fabrication industrielle, aussi le jugement oblige les deux hommes à s'associer pour fabriquer leurs ampoules. Ils diffusent rapidement leur lampe, qui a des avantages évidents sur l'éclairage au gaz qu'elle remplace, mais le filament de carbone, en se sublimant puis en se condensant sur le verre de la lampe, opacifie assez rapidement le verre. Dans les années 1880, les fabricants d'éclairage électrique se livrent à une compétition acharnée. En 1884, Edison recrute Lewis H. Latimer, un ingénieur afro-américain autodidacte, pour déposer et défendre ses brevets et assurer la promotion de son système.
En 1894, l’Italien Arturo Malignani brevète un procédé efficace pour éliminer l'air des ampoules, exploité d'abord en Italie, avant que la compagnie Edison l'achète et le diffuse dans le monde entier. La même méthode sera utilisée, quinze ans plus tard, en remplaçant le vide par un gaz noble.
En 1897, la lampe de Nernst remplace le filament de carbone par un filament de céramique, plus efficace. Ce matériau ne se sublime pas, éliminant la nécessité du vide ; mais la lampe ne s'allume qu'après un préchauffage de ..
thumb|upright|Image MEB du filament de tungstène d'une lampe à incandescence. En 1904, la firme hongroise Tungsram met au point une lampe à filament de tungstène, métal ayant le point de fusion le plus élevé, à .). Repris en Allemagne par Auer, puis par tous les fabricants, le métal élimine rapidement le carbone, grâce à sa lumière plus vive et à sa longévité accrue.
En 1913, l'ampoule n'est plus sous vide d'air, mais sous gaz noble, argon puis krypton.
En 1925, Marvin Pipkin invente pour General Electric l'ampoule givrée, ce qui rend la diffusion de la lumière meilleure et l'ampoule bien plus solide.
En 1959, General Electric diffuse la lampe à incandescence sous iode. L'iode, un gaz halogène, et l'enveloppe de verre de quartz permettent de réduire la sublimation du tungstène du filament, permettant de le chauffer plus, améliorant le rendement lumineux et élevant la température de couleur. Les lampes sous gaz halogène, diffusées massivement d'abord pour les automobiles (phare à iode), ont de nombreux usages professionnels.
Au , l'Union européenne et d'autres pays disposent le retrait de la circulation des lampes à incandescence en raison de leur mauvaise efficacité lumineuse face aux autres procédés d'éclairage, tube fluorescent, lampe fluorescente, lampe à diode électroluminescente.
Descriptif vignette|left|upright|Codes de formes de lampes à incandescence. vignette|upright|1- Ampoule de verre2- Gaz inerte3- Filament de tungstène4 - Fil conducteur (contact avec le plot central)5 - Fil conducteur (contact avec le culot)6 - Fil de support du filament7 - Monture ou support en verre8 - Culot (contact électrique)9 - Culot (filetage ou baïonnette)10 - Isolant11 - Plot central (contact électrique) En présence de dioxygène, le filament porté à haute température brûle instantanément, c'est la raison pour laquelle ce type de lampe a été muni d’une enveloppe de verre, l’ampoule qui a donné son nom populaire au dispositif et qui permet d'isoler un milieu sans oxygène.
L’ampoule est emplie d'un gaz noble caractéristique du type d’ampoule, le plus souvent de l’argon ou du krypton, ou, dans certains cas, d'un gaz halogène. Autrefois, c'est le vide qui isolait le filament dans son ampoule.
Inéluctablement le filament surchauffé se vaporise et perd de la matière par sublimation, ensuite cette vapeur de métal se condense sur l’enveloppe plus froide. L’ampoule devient de plus en plus opaque et le filament devient plus fragile. Le filament finit par se rompre au bout de plusieurs centaines d’heures : pour une lampe à usage domestique, jusqu’à moins ou plus pour certaines lampes à usage spécial.
La présence d'un gaz noble à l'intérieur de l'ampoule présente plusieurs avantages : certains atomes de tungstène devenus gazeux peuvent se déposer à nouveau sur le filament après un choc avec un atome de gaz noble, allongeant ainsi sa durée de vie. Le filament peut aussi être chauffé davantage. Enfin, cela limite le dépôt de tungstène sur la paroi de l'ampoule.
Dans les lampes actuelles, le filament de tungstène est enroulé en hélice, afin d’augmenter la longueur du filament, et donc la quantité de lumière visible produite.
La forme la plus commune de lampe à incandescence est l'ampoule « bulbe », mais on trouve également d'autres formes, dont celle de tube appelée linolite.
Pour tous les modèles vendus au public, l'alimentation électrique du filament se fait par la partie qui fixe l'ampoule sur le lampadaire, le plus souvent un culot, sauf pour les ampoules linéaires , dont le filament est relié à un contact à chaque extrémité.
Lampe halogène
Une lampe à incandescence halogène, ou plus couramment « lampe halogène », est une lampe à incandescence dont un gaz, ou mélange de gaz, halogène remplit l'ampoule. Ce gaz réagit chimiquement avec le tungstène sublimé, formant un halogénure de tungstène qui ne résiste pas à la haute température à proximité du filament, de sorte que le tungstène se redépose, à un emplacement aléatoire, sur le filament, le régénérant partiellement, ce qui augmente la durée de vie de la lampe. Ce cycle exige un filament très chaud. Pour résister à la chaleur, l'enveloppe de la lampe doit être en verre de quartz.
En 2008, l'Europe interdit le renouvellement des stocks de lampes halogènes à compter du La plupart des lampes halogènes interdites à partir du , sur 01net.com du 27 août 2018, consulté le .
Fonctionnement effectif Surcharge à l'allumage Le coefficient de température du tungstène est de . Sa température de fonctionnement dans une ampoule est d'environ ., tandis que la température ambiante, à froid, est vers (). La résistance du filament froid est donc , soit plus de plus faible. En conséquence, l'allumage de la lampe provoque une brève surcharge électrique : le courant peut atteindre dix à quinze fois la valeur nominale. Après au plus un dixième de seconde, le courant est stabilisé.. Dilatation À la différence de température avec l'ambiante correspond une dilatation thermique. Le coefficient de dilatation du tungstène est de .. L'échauffement rapide de à l'allumage s'accompagne d'une augmentation de la longueur du filament de 1 %. Comme celui-ci a une forme hélicoïdale, cet allongement est sans conséquence. Le coefficient de dilatation du tungstène est proche de celui du verre, ce qui limite les contraintes à la traversée de l'ampoule. L'ampoule doit également résister à la dilatation de l'enveloppe et aux variations de pression qui résultent de l'échauffement du gaz qu'elle contient. Efficacité lumineuse L'intensité de l'éclairage et sa température de couleur dépendent largement de la tension électrique du secteur. Celle-ci n'est souvent garantie qu'à plus ou moins 10 % près.. La tension maximale est de 22 % supérieure à la tension minimale. À résistance égale, la puissance dissipée est proportionnelle au carré de la tension ; mais la température du filament varie, faisant varier la résistance. L'efficacité énergétique du corps noir varie comme la température à la . L'efficacité lumineuse augmente rapidement avec la température de couleur, atteignant un maximum vers . En définitive, la consommation électrique est proportionnelle à la tension élevée à la , tandis que le flux lumineux est proportionnel à la tension élevée à la , . L'intensité et la couleur de l'éclairage dépend aussi, dans une moindre mesure, de l'état d'usure de la lampe. La sublimation d'une partie du métal du filament entraîne l'augmentation de la résistance. La puissance fournie diminue, à tension égale, tandis que le dépôt de tungstène sur la paroi intérieure de l'ampoule réduit l'émission lumineuse. Longévité La longévité d'une lampe à incandescence dépend fortement de ses conditions d'utilisation. La rupture du filament affaibli par la sublimation du tungstène et une fissure de l'ampoule laissant pénétrer de l'oxygène sont les principales causes de défaillance. Le rendement lumineux augmente rapidement avec la température du filament tandis que sa longévité se réduit fortement. La durée probable de fonctionnement varie comme l'inverse de la tension élevée à la . Si la tension du secteur peut varier de plus ou moins 10 %, la tension maximale est la tension minimale. Une lampe exploitée à la tension maximale du secteur a une durée moyenne de fonctionnement moindre qu'à la tension minimale. Les fissures sont d'autant plus probables que l'ampoule est soumise à des variations de pression ou des réchauffements et refroidissements, qu'ils soient causés par le milieu ou par l'allumage et l'extinction.
Défauts
5 % de l'énergie électrique d'une lampe à incandescence sert effectivement à l'éclairage ; le reste est dissipé sous forme de chaleurToute la lumière sur les ampoules !. La qualité de la lumière émise dépend de l'endroit où la lampe brille : dans les zones densément peuplées, la tension du secteur est généralement proche du maximum, tandis qu'en bout de ligne, dans les habitats isolés, elle est proche du minimum : la lumière y est plus faible et plus orangée. . Pour éviter un échauffement excessif, il ne faut pas obstruer la circulation d'air autour de l'ampoule. On ne doit pas la toucher . Dans les locaux dont l'atmosphère contient des vapeurs inflammables, la lampe doit être enclose dans une enceinte étanche, afin d'éviter l'inflammation en cas de rupture de l'ampoule. L'ampoule chaude est très susceptible aux chocs thermiques.
Caractéristiques électriques