CHAPITRE VII
INCANDESCENCE
Lumière par incandescence. — La lumière par incaudescence est produite par réchauffement d'un corps réfractaire de grande résistance électrique traversé par un courant.
La loi de Joule peut s'exprimer par la formule suivante, qui donne la quantité de chaleur dégagée par le passage d'un courant dans un conducteur quelconque pendant un temps donné :
H = — -. = tt;- calories, ^A 4160
formule dans laquelle :
H est la quantité de chaleur produite ;
R la résistance du conducteur en ohms; I l'intensité du courant en ampères ; t le temps de passage du courant en secondes;
A l'équivalent mécanique de la chaleur ;
g l'accélération due à la pesanteur.
Un exemple fixera immédiatement les idées sur les résultats obtenus par réchauffement d'un conducteur très résistant faisant partie d'un circuit électrique.
Nous supposerons qu'une tige en charbon AB, amincie entre c eld (Fig. 78), est traversée par un courant de 2 ampères, et nous admettrons que la partie cd a une résistance de 25 ohms.
La chaleur dégagée par le courant entre c eld pendant une
heure sera H = ^r— =86,6 calories.
On comprend aisément que cette dépense de calorique, qui
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suffirait pour élever jusqu'à rébulUtion 1 litre d'eau pris à 13°, 5, puisse porter et entretenir la baguette de charbon cd à une haute température, et que l'élévation de cette température dépende uniquement du volume du fragment considéré, la résistance donnée, 25 ohms, pouvant aussi bien être celle d'une baguette de charbon ayant 50 centimètres de longueur sur 10 millimètres carrés de section que celle d'un filament de môme substance ayant 5 centimètres de longueur et 1 millimètre carré de section. Dans le premier cas, cd serait si peu chaud que sa couleur resterait d'un rouge sombre; tandis que, dans le second, il serait d'une blancheur éclatante.
Tout le problème de l'éclai- Fig. 78. — Tige incandescente.
rage électrique par incandescence consiste donc à établir, sur le circuit, des conducteurs très minces offrant une grande résistance au courant et appropriés de telle sorte qu'ils puissent subir l'action d'une température extrêmement élevée sans se désagréger rapidement.
Du rôle de la température dans rincandescence. — Vers 500 degrés*, les corps solides commencent à émettre de la lumière rouge, et, à mesure que la température augmente, le spectre devient de plus en plus complet, la lumière do plus en plus blanche.
A partir du moment où la lumière apparaît, son intensité croît beaucoup plus rapidement que l'élévation de la température : entre un filament chauffé au rouge cerise et le même filament porté au blanc soudant, on constate, par exemple, un rapport de 1 à 40 dans les intensités lumineuses, tandis que la température ne s'est élevée que de 1 900 à 2 600 degrés C.
M. E. Becquerel a expérimenté l'influence de la température sur l'éclat d'une lame de platine, et il a obtenu les résultats sui-
i. Il résulte de récents travaux de M. Webor que^ conlratrement à ce qu*on croyait josqa*à présent, les corps produisent des radiations lumineases avant d'être portés à rincandescence. Le spectre de ces lueurs brumeuses et grises, qui précèdent la lumière claire, consiste en une bande homogène d'un gris brun, se développant également des deux côtés lorsqu'on augmente la température.
M. Weber a également constaté que la température minima, à laquelle les corpH émettent une radiation visible» varie avec les diverses substances. Pour l'or, cette temp:rature est de 417» C, pour le fer de 377« C, et pour le platine de 390" C.
vants, en partant du nombre 1 000 pour l'intensité lumineuse mesurée lorsque le platine atteignait 916 degrés, c'est-à-dire la température qui correspond au point de fusion de l'argent :
Degrés
Intensité
Degrés
Intensité
centigrades.
lumineuse.
cen tirades.
lumineuse.
916 fusion de Targent
UZllx
1 037 fusion de Tor
1 157 fusion du cuivre "
M. Becquerel n'a pas poussé son expérience au-dessus de 1 200 degrés ; mais ce qui précède suffit pour montrer le rôle prépondérant de la température dans les phénomènes lumineux.
Nature des conducteurs incandescents. — On s'est d'abord servi de platine pour les lampes à incandescence, puis de charbon. C'est l'emploi de ce dernier corps qui a seul prévalu; c'est même grâce à lui que les applications du nouveau système se sont récemment multipliées dans tous les pays. Les avantages du charbon sur le platine sont d'ailleurs faciles à établir.
Le charbon est infusible, tandis que le platine fond aisément s'il est réduit en fil fin; le charbon possède une plus grande résistance spécifique que le platine, et, par suite, pour un même courant et à 'dimensions égales, retient au passage une plus grande quantité de chaleur ; la chaleur spécifique du charbon est moindre que celle du platine, de sorte qu'une même quantité de calories l'élèvera à une plus haute température; enfin, à température égale, le charbon présente un pouvoir rayonnant supérieur à celui du platine.
On a essayé l'iridium à la place du platine ; mais les résultats n'ont pas été plus favorables.
Les charbons employés dans les lampes de fabrication courante proviennent presque exclusivement de fibres végétales calcinées; ils se composent de carbone plus ou moins pur, sous forme de coke ou de graphite cristallisé.
La préparation varie peu : on commence par donner aux fibres les dimensions et les formes convenables ; on les met
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ensuite dans des moufles remplies de poussier de charbon, qu'on installe par centaines dans une éluve fortement chauffée, et on les laisse dans cette étuve jusqu'à complète carbonisation. Le filament ainsi obtenu est très tenace et très élastique. Sa combustibilité est extrêmement faible ; il résiste à la flamme d'un bec de gaz de Bunsen et môme à celle d'un chalumeau à air. Il faut, pour le brûler, les températures élevées provenant d'un courant électrique.
M. Aron, qui a étudié particulièrement cette question de combustibilité, a remarqué que du papier, de la ouate même, devenaient, après calcination, presque incombustibles. Il considère qu'il y a dans la carbonisation trois phases distinctes : dans la première, les substances végétales restent facilement inflammables, mais ne conduisent pas l'électricité ; dans la seconde, qui correspond à une température plus élevée, elles deviennent conductrices, mais restent encore incombustibles; enfin, dans la troisième, alors que la température est encore plus élevée, elles restent conductrices, mais deviennent difficilement combustibles. Elles sont, dans cette dernière phase, complètement graphitées.
En graphitant le noir de fumée, on obtient une substance qui se comporte comme le graphite, sans en avoir la structure cristalline.
Totit récemment, M. H.-N. Warren est parvenu à produire un charbon graphitoïdal en faisant passer une série d'étincelles électriques dans un jet de gaz d'éclairage, et ce charbon s'est très bien comporté dans une lampe à incandescence.
Nature du milieu. — Les phénomènes lumineux dus au passage du courant à travers un conducteur très résistant peuvent s'obtenir à l'air libre, dans une atmosphère inerte, c'est-à-dire non comburante, ou bien encore dans le vide.
A l'air libre, le charbon incandescent brûle rapidement, ce qui nécessite l'emploi de baguettes assez grosses et assez longues, si l'on veut fonctionner pendant quelques heures sans les renouveler. Cette combustion rapide a été l'obstacle contre lequel sont venues échouer toutes les combinaisons d'appareils ayant pour but d'utiliser l'incandescence avec des charbons mobiles.
L'emploi de petites baguettes, placées dans une atmosphère inerte et chauffées électriquement, présente de grands avantages sur la solution précédente, sans être pour cela bien pratique. On peut obtenir une atmosphère inerte assez facilement en fermant hermétiquement la cloche en verre contenant le conducteur incandescent, et en brûlant d'abord une certaine quantité de charbon pour absorber tout l'oxygène renfermé dans l'air de la cloche. Les baguettes portées à l'incandescence se conservent assez longtemps ; mais les particules de charbon brûlé préalablement noircissent les parois intérieures de la cloche, ce qui absorbe une notable partie de la lumière émise ultérieurement.
Les lampes ainsi constituées sont assez compliquées et n'ont d'ailleurs aucune raison d'être depuis qu'on a trouvé le moyen de faire un vide presque parfait dans les récipients de verre.
Les lampes à vide, ayant leur charbon disposé dans de petites ampoules en verre avec deux fils extérieurs pour les mettre en communication avec le courant, sont incontestablement les meilleures, surtout lorsque le vide a été bien fait et que les ampoules ont été fermées à la lampe d'émailleur au moment même où l'opération de la raréfaction était terminée.
11 n'existe plus de lampes à incandescence fonctionnant à l'air libre ; très peu fonctionnent dans l'azote ou dans dans tout autre gaz inerte ; les lampes à vide sont, au contraire, extrêmement répandues, et leur succès va toujours en croissant.
Couleur de la lumière par incandescence. — La lumière des filaments de carbone est riche en rayons rouges et jaunes, et très pauvre en rayons bleus et violets. Elle paraît, pour cette raison, jaune rougeâtre, moins rouge cependant que la lumière du gaz, mais sensiblement plus rouge que la lumière de l'arc.
En se servant d'un prisme Nicol pour comparer diverses lumières artificielles à la lumière solaire, M. Meyer a trouvé que, lorsqu'on réduisait suffisamment l'émission de la lumière solaire, pour que l'intensité de la lumière jaune fût la même dans tous les cas, on obtenait, pour les spectres des divers éclairages, les quantités suivantes :
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Soleil. Arc. Incandescence. Gaz.
Rouge 1,00 2,09 1,68 4,07
Jaune 1,00 1,00 1,00 1,00
Vert 1,00 ' 0,99 0,62 0,47
Bleu 1,00 0^87 0,21 0,23
Violet 1,00 1,03 0,17 0,15
Violet extrême 1,00 1,21 » »
Dimensions des filaments. — La section des filaments est très . variable dans chaque fabrication ; elle dépend de la résistance propre de la substance carbonisée et de l'intensité lumineuse qu'on veut obtenir avec un courant d'une intensité donnée. La longueur est en relation directe avec la chute de potentiel aux bornes; elle est calculée pour donner au filament une surface rayonnante suffisante. La section ronde parait préférable à la section carrée parce qu'elle présente une résistance plus grande à égalité de surface extérieure.
Dans les lampes Edison, les filaments ont une section de trois dixièmes de millimètre sur un dixième de millimètre, et une longueur développée de 0"^,125 pour les lampes de 16 bougies et de 0°',110 pour celles de 10 bougies.
Dans les lampes Maxim de 16 bougies, la section est de cinq dixièmes de millimètre sur un millimètre, et la longueur développée est de 0°*,113.
Dans les lampes Siemens, les filaments ont un diamètre variant de 0'",00015 à 0°',00027 et une longueur de 0°^,110 pour les lampes de 10 bougies, 0"sl25 pour les lampes de 16 bougies et 0"*,1â5 pour les lampes de 25 bougies.
On peut, pour la môme intensité lumineuse, faire varier la section et la longueur des filaments, en laissant constante la surface de rayonnement.
Les charbons minces et longs sont plus sujets que les autres à une rupture provenant de secousses pendant le transport ou de chocs internes pendant la marche.
Un gros filament supporte généralement un échaufîement relatif plus considérable qu'un filament délié.
Au point de vue de l'économie des conducteurs, les lampes ayant besoin d'une faible intensité de courant pour une intensité
lumineuse donnée sont préférables à celles qui exigent plus de courant et moins de chute de potentiel ; car, à un courant double correspond un conducteur de section quadruple pour la même déperdition.
Radiations lumineuses et radiations obscures. — Dans une conférence faite, en 1885, à la Société électrotechnique de Berlin, M. Wilhelm Siemens a développé diverses considérations théoriques qu'il nous paraît utile de résumer en ce qui concerne le travail effectué par le courant et la nature des surfaces rayonnantes.
Le travail par seconde effectué par le courant dans le fila-
ment est égal à El, ou à I* R, ou enfin à -g-.
Le rayonnement qui équilibre ce travail par seconde est proportionnel à la surface du filament.
A un centimètre carré de cette surface, correspond toujours la même intensité lumineuse, étant donnés l'emploi de mêmes substances, le même état moléculaire et la même température, soit que ce centimètre carré appartienne à un fil fin et long, soit qu'il appartienne à un fil gros et court.
Au point de vue de la beauté de l'éclairage, il est utile de faire brûler toutes les lampes à la même couleur ; cette condition, pour des charbons de même substance et de mêmes dimensions, dépend de l'égalité de leur température.
Le rayonnement est constitué par un mouvement de l'éther ; la qualité d'un rayon résulte de la longueur de Tonde et de la durée de l'oscillation, tandis que son intensité dépend de l'amplitude de cette oscillation. Les rayons calorifiques, obscurs ou lumineux, se distinguent par leur durée d'oscillation ; le maximum d'action calorifique reste dans les rayons obscurs. La qualité d'un rayon dépend uniquement de la température.
La température exerce une double influence sur la condition du rayonnement ; elle augmente l'intensité de chaque rayon pris isolément, et son accroissement ajoute aux rayons précédents de nouveaux rayons de moindre longueur d'onde et de plus grande réfrangibilité. Par suite, un corps porté à l'incandescence blanche contient plus de rayons rouges que lorsqu'il est à l'incandescence rouge.
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D'après DuloDg et Petit, le rayonnement R, la température t et le pouvoir émissif M de la surface du corps qui rayonne, sont reliés par la formule R= M a\ dans laquelle a est une constante. Il en résulte que, plus M et t sont considérables, plus le rayonnement total, qui est en outre proportionnel à la surface du corps . éclairant, est grand.
Le rapport des radiations lumineuses aux radiations obscures varie avec M et /. L'élévation de la température est, à ce point de vue, de la plus haute importance, puisqu'elle apporte sans cesse aux prerniers rayons obtenus de nouveaux rayons à ondes courtes. C'est ce qui explique ce phénomène que, dans l'éclairage par incandescence, plus la température du filament est élevée, plus on obtient de lumière pour une dépense de travail donnée.
L'état des surfaces des filaments a également une grande influence sur le rendement des lampes. Un charbon noir et fuligineux émet plus de chaleur qu'un charbon dense etgris porté à la môme température. Le premier exige donc une plus grande dépense d'énergie que le second, pour être maintenu à la même température.
Rendement optique des lampes à incandescence. — Le rendement optique d'une lampe est le rapport entre la quantité d'énergie correspondant aux radiations lumineuses émises et l'énergie totale consommée par la lampe.
M. Blattner a fait sur le rendement de diverses lampes à incandescence d'intéressantes expériences, d'où il résulte que ce rendement n'atteint pas 10 pour 100 dans les appareils les plus perfectionnés.
Pour mesurer la quantité totale de chaleur consommée, M. Blattner plaçait la lampe dans un calorimètre, à parois de cuivre minces et noircies, rempli d'eau. La lampe était entourée d'une couche d'eau de 3 centimètres au moins. Il lui suffisait, connaissant exactement le volume d'eau, de mesurer la température avant et après l'opération, pour connaître la chaleur totale émise.
Cela fait, il remplaçait le calorimètre en cuivre par un calorimètre en verre mince de manière à ce que l'eau n'absorbât que la chaleur provenant des radiations obscures. La différence
entre les deux nombres donnait la chaleur dépensée en radiations lumineuses.
Le travail électrique par seconde consommé par la lampe était déterminé par la mesure de la différence de potentiel aux bornes de la lampe et par celle de l'intensité du courant. On pouvait ainsi calculer l'équivalent mécanique delà chaleur. La concordance entre le résultat de ce calcul et le nombre 424 montrait le degré d'exactitude de la méthode suivie dans les expériences.
M. Blattner a trouvé que le rendement optique des lampes à incandescence, amenées à leur intensité normale, était en moyenne de 5 pour 100, et qu'il atteignait 9 pour 100 lorsqu'on poussait les lampes au double de leur intensité normale.
Ce rendement dépend, bien entendu, delà constitution etde la préparation des filaments; il dépend également de la surface que présente le filament, eu égard à sa résistance. C'est ainsi qu'une lampe Bernstein à filament creux a un rendement supérieur à celui d'une lampe Swanà filament plein. Cependant, l'écart entre les lampes les plus avantageuses et les lampes les moins économiques à cet égard n'est pas considérable ; M. Blattner a, en effet, trouvé 6 pour 100 pour les premières et 4 pour 100 pour les autres.
Le professeur Tyndall a fait des recherches curieuses sur le même sujet en se servant d'une dissolution d'iode dans le sulfure de carbone, laquelle solution a la propriété d'absorber les rayons lumineux et de laisser passer les rayons obscurs. Il a trouvé que les rayons lumineux représentaient 3 pour 100 du rayonnement total d'une flamme à l'huile, 4 pour 100 d'une flamme à gaz, 4,6 pour 100 de l'incandescence d'un filament et 10 pour 100 de la lumière de l'arc voltaïque.
11 résulte de là que, dans la lumière artificielle la plus avantageuse, la partie inutile du rayonnement absorbe les quatrevingt-dix centièmes de la puissance électrique totale El pour produire des radiations calorifiques obscures.
Intensité lumineuse des lampes à incandescence. — Cette intensité varie actuellement entre 1 et 1 000 bougies, ce qui permet à l'éclairage par incandescence de satisfaire à tous les besoins domestiques et industriels en tant que puissance de
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foyers. Les lampes les plus répandues sont celles de 8, de 10, de 16 et de 20 bougies. Toutes les autres sont d'un usage plus ou moins exceptionnel. Cependant nous devons constater une tendance marquée à l'emploi des lampes de 300 à 500 bougies depuis que M. Parsons est parvenu à les manufacturer à un prix assez bas, avec une production régulière et rapide.
L'intensité d'une lampe n'est pas la même dans toutes les directions ; aussi, pour rendre la comparaison facile et permettre d'évaluer le rendement électrique des divers types, est-il nécessaire de mesurer cette intensité dans plusieurs directions et d'indiquer la moyenne sphérique de l'éclairage produit.
L'intensité lumineuse diminue sensiblement avec l'âge des lampes.
D'après nos expériences personnelles, faites sur une centaine de lampes, cette diminution atteint 10 pour 100 en moyenne après une marche de 500 heures ; 15 pour 100 après une marche de 800 heures, et 20 pour 100 après une marche de 1 000 heures.
Le major C.-E. Webber, en relevant des jaaesures régulières toutes les 100 heures, a trouvé les intensités suivantes, sur deux lampes fonctionnant sous une tension de 100 volts :
IntODsité du courant. latensité lumineuse.
Après 100 heures
0,63 ampères
18,5 bougies
— iOOO
— ilOO
— 1/iOO
Durée des lampes. — Les fabricants de lampes qui, au début, ne garantissaient aucune durée pour leurs produits, sont arrivés progressivement à garantir des durées moyennes de 600, de 600
et (le 800 heures. Aujourd'hui ils garantissent une durée moyenne de 1 000 heures, à la condition que le nombre de volts indiqué ne sera pas dépassé et que la marche delà dynamo sera régulière.
Nous connaissons des usines où la durée moyenne des lampes Edison et Swan a dépassé 2 000 heures, et d'autres où on a atteint difficilement 600 heures avec les mêmes types de lampes. Il est certain que l'allure des moteurs a ici une grande influence, car les filaments périssent le plus souvent par suite de variations brusques de vitesse, lesquelles variations modifient le régime des dynamos et conséquemment l'alimentation régulière des lampes.
Quoi qu'il en soit, les lampes à incandescence peuvent être considérées, dans l'état de perfectionnement actuel des bonnes fabrications, comme capables de fournir une carrière de plus de 1 000 heures, et cela dans les conditions ordinaires d'un service d'usine, de magasin ou de théâtre.
En marche bien régulière, la vie d'une lampe dépend principalement de l'intensité du courant qui la traverse, et, par suite, de l'intensité lumineuse qu'on exige d'elle.
C'est ce qu'indiquent les deux tableaux suivants établis dans le laboratoire d'une des fabriques de lampes Edison et que nous donnons à titre de simple renseignement, sans nous y arrêter plus qu'il ne convient.
Durée des lampes suivant l'intensité lumineuse, l'intensité normale étant de 16 bougies :
INTENSITÉ
DURÉE
INTENSITÉ
DURÉE
en
en
BOUGIEJ.
HEURES
fiODGlBS.
HEURES
INCANDESCENCE
Durée des lampes suivant la différence de potentiel aux bornes, la différence de potentiel normale étant de 100 volts :
VOLTS
DURÉE
VOLTS
DURÉE
de
en
de
en
H^GiyE.
HEURES
