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Lampe à décharge
Une lampe à décharge est une lampe électrique constituée d'un tube ou d'une ampoule en verre remplie de gaz ou de vapeur métallique, sous haute ou basse pression, au travers duquel on fait passer un courant électrique, il s'ensuit une production de photons donc de lumière.
La couleur de la lumière émise par luminescence, par ces lampes dépend du gaz utilisé :
- le néon donne une couleur rouge;
- le mercure s'approche du bleu tout en produisant une quantité d'ultraviolet importante ;
- le sodium rayonne dans le jaune. Souvent on le mélange avec du néon pour rendre la lumière orangée ;
- le xénon (récemment employé pour l'éclairage des automobiles) est le gaz qui permet de s'approcher le plus possible du blanc pur.
Sommaire
Principe de fonctionnement
Les molécules du gaz métallique utilisé ont la faculté de pouvoir s'ioniser lorsqu'elles sont soumises à la différence de potentiel créée entre les électrodes situées de chaque côté de la lampe. Les électrons libérés sont attirés par l'électrode positive – nommée cathode – et les ions négatifs par l'autre, nommée anode. Un énorme flux d'électrons traverse l'ampoule.
Lors du passage de ce flux, se produisent de nombreuses collisions entre les électrons circulants et ceux présents dans le gaz de la lampe. Lors de ces collisions, les électrons sont chassés de leur orbite, changent de couche et y reviennent en émettant un photon, dont la longueur d'onde (sa couleur) dépend de l'énergie qu'il contient mais habituellement comprise dans le spectre du visible ou de l'ultraviolet. Ils peuvent également se libérer complètement de l'atome qui les contient, et ainsi accroître le courant d'électrons circulants. C'est ainsi qu'un phénomène d'amorçage se produit à la mise sous tension de la lampe : le courant initialement très faible explose littéralement pour atteindre la puissance maximale donnée par le générateur électrique.
Histoire
Francis Hauksbee a, le premier, décrit une lampe à décharge en 1705. Il montra qu’un globe de verre dans lequel on a réalisé un vide partiel ou complet, lorsqu’il est chargé d’électricité statique, peut produire une lumière suffisante pour permettre de lire. Sir Humphry Davy décrivit en 1802 le premier arc électrique à la Royal Institution de Londres. Depuis, de nombreuses recherches ont été réalisées sur les sources de lumière à décharge, car elles produisent de la lumière à partir de l’électricité de façon considérablement plus efficace que les ampoules à incandescence.
Plus tard, on a découvert que l’arc de décharge peut être optimisé en utilisant un gaz inerte au lieu de l’air en tant que milieu. Pour cette raison, dans le passé, des gaz nobles tel que le néon, l’argon, le krypton ou le xénon furent employés tout comme le dioxyde de carbone.
L’introduction de la lampe à vapeur de métal, incluant divers métaux à l’intérieur du tube de décharge, fut une avancée postérieure. La température du gaz de décharge vaporise un peu de métal et la décharge est alors produite presque exclusivement par la vapeur de métal. Habituellement, on utilise du sodium et du mercure en raison de leur haute pression de vapeur qui augmente l’efficacité de l’émission électromagnétique dans le spectre visible.
Un siècle de recherche supplémentaire a conduit à des lampes sans électrodes. À la place, le gaz est excité par des émetteurs de micro-ondes ou d’ondes radio. De plus, des sources de lumière de puissance bien moins importante ont été créées, permettant d'étendre les applications de l’éclairage à décharge aux habitations ou aux utilisations en extérieur.
Couleur
Chaque gaz, en fonction de sa structure atomique, émet dans certaines longueurs d’ondes, ce qui se traduit par différentes couleurs d’éclairage. Pour pouvoir évaluer la capacité d’une source de lumière à reproduire la couleur de divers objets éclairés par cette source, la Commission Internationale de l'éclairage (CIE) a introduit l’Indice de rendu de couleur. Certaines lampes à décharge ont un indice inférieur à 100 ce qui signifie que les couleurs apparaissent complètement différentes que, par exemple, sous la lumière du soleil. Certains personnes qui s'en rendent bien compte vont à la lumière du soleil, quand ils choisissent un vêtement, pour déterminer sa « véritable » couleur.
Gaz Couleur Remarques Image Hélium Orange tirant sur le blanc ; peut tirer sur le gris, le bleu ou le vert-bleu sous certaines conditions Utilisé par les artistes pour des besoins éclairages particuliers. 
Néon Rouge orangé Lumière intense. Fréquemment utilisé pour les enseignes au néon et les lampes au néon. 
Argon Violet et bleu lavande pâle Souvent utilisé avec des vapeurs de mercure. 
Krypton Greyish dim off-white ⇔ blanc tirant sur le gris pâle. Peut tirer sur le vert. Bleu vif et blanc à forte intensité. Utilisé par les artistes pour des besoins éclairages particuliers. 
Xénon Gris blanc pâle tirant sur le gris ou le bleu, vert très vif tirant sur le bleu à forte intensité Utilisé dans les stroboscopes, les phares au xénon, les lampes à arc au xénon, et par les artistes pour des besoins d'éclairage particuliers. 
Azote Similaire à l’argon mais plus terne et tirant plus sur le rose ; Blanc tirant sur le bleu vif à forte intensité ; plus blanc que l’argon. Oxygène Violet - lavande, plus pâle que l’argon. Hydrogène Lavande à faible intensité ; magenta tirant sur le rose au-delà de 10 mA. Vapeur d'eau Similaire à l’hydrogène mais plus pâle Dioxyde de carbone blanc tirant sur le bleu clair ; plus vif que le xénon en faible intensité. Vapeur de Mercure la lampe à déchargement fut inventée en 1705 par un anglais, dénommé Francis Hauksbee Bleu clair, ultraviolet intense Utilisé en combinaison avec le phosphore pour générer de nombreuses couleurs du spectre lumineux. Largement utilisé dans les lampes à vapeur de mercure et les lampes hydrargyrum medium arc iodide ⇔ Lampe aux halogénures métalliques. Souvent utilisé avec de l’argon. Vapeur de Sodium (basse pression) Jaune vif Largement utilisée dans les lampes à vapeur de sodium. 
Lampes à décharge les plus courantes
Lampes à décharge basse pression
- Les tubes fluorescents
- Ils produisent jusqu’à 100 lumens/watt. Ce type de lampe est le type le plus utilisé en éclairage de bureau ainsi que dans de nombreuses autres applications tertiaires. Les tubes fluorescents sont communément, mais faussement, encore appelés lampes néon. Ils sont pourtant très différents car la lumière émise par la décharge n'est pas directement visible. C'est une poudre déposée sur la surface intérieure du tube qui ré-émet dans le domaine visible.
- Les lampes à vapeur de sodium basse pression
- Ce type de lampe est le type de lampe à décharge le plus efficace, produisant jusqu’à 200 lumens/watt, mais aux dépens d’un rendu de couleurs très pauvre. La lumière jaune quasi monochromatique est acceptable uniquement pour l’éclairage public et les utilisations similaires.
Lampes à décharge haute pression
- Les lampes aux halogénures métalliques
- Ces lampes produisent de la lumière presque blanche et atteignent 100 lm⋅W-1. Les utilisations comprennent l’éclairage d’intérieur d’immeubles de grande hauteur, de parking, de magasins, de terrains de sports.
- Les lampes à vapeur de sodium haute pression
- Elles produisent jusqu’à 150 lumens/watt. Ces lampes produisent un spectre de lumière plus large que la lampes à vapeur de sodium basse pression. Elles sont aussi utilisées pour l’éclairage public et pour la photo assimilation artificielle dans la culture de plantes.
- Les lampes à vapeur de mercure
- Ce type de lampe est le type de lampe haute pression le plus ancien. Il a été remplacé dans la majeure partie des utilisations par des lampes à vapeur de sodium haute pression et, parfois, par des lampes aux halogénures métalliques.
Utilisation
Les lampes à vapeur de mercure
Ces lampes contiennent des vapeurs de mercure mélangée à de l'argon. Ce type de lampe ne meurt théoriquement jamais. Après 10 000 à 20 000 heures, son émission lumineuse commence à diminuer, pour atteindre moins de 25 % de l'émission initiale après 50 000 heures de fonctionnement. Leur efficacité lumineuse est située entre 50 et 100 lm⋅W-1 ce qui est plus de 5 fois supérieur aux lampes à incandescence.
La lumière étant dans ce cas principalement produite par la luminescence, celle-ci est principalement composée d'ultraviolet (254 nm pour le mercure : UVC) il est donc nécessaire d'augmenter la longueur d'onde de la lumière émise par fluorescence c’est-à-dire par adjonction sur les parois du tube d'une poudre blanche qui diminue la fréquence des ondes émises pour les "replacer" dans le spectre visible. Selon la composition chimique de ces poudres, il est possible d'obtenir un grand éventail de couleurs.
Dans le cas des lampes à vapeur de mercure haute pression, au moment où la lampe s'allume, seul un arc à basse pression se produit et donc, une faible quantité de lumière est émise ; puis la lampe chauffe, la pression augmente peu à peu, le mercure se vaporise, un arc à haute pression se forme et une quantité plus importante de lumière est émise. La lampe met environ 5 minutes avant de produire son flux lumineux maximal.
Les lampes à vapeur de mercure ont longtemps servi à l'éclairage public du fait de leur faible coût. Elles ont toutefois été majoritairement remplacées par les lampes à vapeur de sodium haute pression, qui émettent une lumière faisant mieux ressortir les détails de la chaussée, mais aussi qui sont plus faciles à filtrer par les astronomes. Ces sources lumineuses sont aussi plus rentables, surtout au niveau de l'efficacité lumineuse. Les sources d'éclairage au mercure sont encore aujourd'hui très largement utilisées sous forme de petits luminaires de 175 watts vendus pour environ 50 $ .
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