Ampoule à incandescence

Une ampoule à incandescence produit de la lumière en chauffant à blanc un mince filament parcouru par un courant, dans un globe de verre vidé d'air pour que le filament ne brûle pas. Joseph Swan et Thomas Edison la rendirent utilisable en 1879, et elle éclaira maisons et rues pendant plus d'un siècle.

Ce que c’est

L’ampoule à incandescence est un globe de verre contenant un fil très fin, le filament, qui brille quand un courant le traverse. Avant elle, les maisons s’éclairaient à la flamme : bougies, lampes à huile, becs de gaz, qui fumaient et causaient souvent des incendies. Il existait des lampes électriques à arc, bien trop vives pour une pièce.

La lampe de la planche est du type fabriqué par l’usine d’Edison au début des années 1880. Ses descendantes furent la lampe domestique courante pendant l’essentiel du XXe siècle, avant que les lampes fluocompactes, puis les LED, prennent leur place.

Comment ça marche

Tout matériau assez chauffé émet de la lumière. La résistance électrique transforme l’énergie du courant en chaleur, et un filament fin passe du rouge sombre à l’orange, puis au blanc. Plus il chauffe, plus la lumière est blanche et efficace, mais plus le filament s’évapore vite.

À l’air libre, un fil de carbone ou de métal porté au blanc brûle en quelques instants : il faut donc vider le globe, ou plus tard le remplir d’un gaz inerte. La pompe se branche au sommet par un mince tube de verre, que l’on scelle ensuite à la flamme : c’est la petite pointe des anciennes lampes, le queusot.

Dans la pompe de Sprengel, chaque goutte de mercure emprisonne un peu d’air et l’entraîne vers le bas du tube.

Les fils qui amènent le courant au filament doivent traverser le verre. Or verre et métal se dilatent différemment, et un scellement mal assorti se fend à l’échauffement. Le platine se dilate presque comme le verre des premières ampoules, d’où de courts fils de platine traversant un pied de verre, raccordés à du cuivre, moins cher, dans le culot.

Edison conçut la lampe et le réseau ensemble. Un filament à haute résistance électrique consomme peu de courant sous une centaine de volts : les lampes se branchent alors en parallèle, chacune avec son interrupteur, sur des conducteurs de cuivre de section raisonnable.

Seuls 5 à 10 % environ de l’électricité ressortent en lumière visible ; le reste part en chaleur.

Comment la construire

Une lampe durable demande un verrier, une pompe à vide atteignant une très basse pression et un filament dimensionné pour sa tension d’alimentation. Seule la première étape se fait sans danger à la maison ; les autres décrivent la fabrication des premières lampes en atelier.

Voir le principe. Serrer un bout de mine de crayon fine entre deux pinces métalliques sur un carreau de céramique, sous un bocal de verre retourné. L’alimenter par une alimentation de laboratoire réglée vers 12 volts, limite de courant au minimum, puis monter lentement cette limite. La mine rougeoie, puis brûle et se rompt dans l’oxygène du bocal : d’où la nécessité du vide.

Carboniser le filament. Les ateliers noyaient des boucles de bambou ou de fil de coton dans du charbon de bois en poudre, dans un creuset à couvercle muni d’un évent, chauffé au rouge dans un four pendant des heures. Privée d’air, la fibre devient du carbone au lieu de cendre ; les gaz dégagés, inflammables, contiennent du monoxyde de carbone.

Sceller les fils. Deux courts fils de platine, ou d’un métal adapté au verre, étaient fondus dans un pied de verre ; le filament y était fixé à la pâte de carbone, et le pied soudé dans le col d’un globe soufflé muni d’un fin tube d’évacuation au sommet. Un filament basse tension doit être plus court et plus épais qu’un filament de 100 volts.

Pomper et chauffer. L’ampoule raccordée à la pompe, un courant modéré dans le filament chassait les gaz du carbone et du verre. Quand la pression cessait de baisser, on fermait le tube à la flamme.

Poser le culot. Un culot à vis en laiton était plâtré sur le col, un fil soudé à la douille filetée, l’autre au plot central.

Sécurité. La tension du secteur peut tuer : ne faire d’essais qu’avec une alimentation de laboratoire à limitation de courant de moins de 24 volts, jamais sur une prise murale, et ne jamais brancher directement une batterie de voiture ou au lithium sur un filament. Filaments, verre et pinces chauffent assez pour brûler la peau et enflammer du papier : travailler sur un carreau, loin de tout ce qui brûle. Une ampoule vidée d’air peut imploser et projeter du verre : porter des lunettes et travailler derrière un écran transparent. Les vapeurs de mercure sont toxiques : ne pas construire ni utiliser de pompe à mercure chez soi. Ne jamais chauffer un récipient fermé : la carbonisation dégage un gaz inflammable et du monoxyde de carbone, et se fait dans un four ventilé en plein air, pas dans une maison.

Histoire et évolutions

Les fibres de bambou carbonisé duraient bien plus longtemps que le papier et le fil des premières lampes.

En 1802, Humphry Davy fit rougeoyer une lame de platine avec une grande pile, et en 1840 Warren de la Rue plaça une spirale de platine dans un tube vidé d’air. Le platine coûtait trop cher ; le carbone était bon marché, mais il brûlait dans l’air laissé par les pompes de l’époque.

En Angleterre, Joseph Swan travaillait sur des filaments de papier carbonisé depuis 1850 environ. Un essai de 1860, dans un globe mal vidé, échoua. Dès 1875, il utilisa la nouvelle pompe de Sprengel et, entre décembre 1878 et février 1879, présenta à Newcastle upon Tyne des lampes au carbone qui fonctionnaient. En décembre 1880, il équipa Cragside, la demeure de l’industriel William Armstrong.

Vers 1910, le fil de tungstène étiré remplaça le carbone et donna une lumière plus blanche, avec un meilleur rendement.

À Menlo Park (New Jersey), le laboratoire de Thomas Edison choisit un filament de carbone à haute résistance. Le 22 octobre 1879, une lampe à fil de coton carbonisé brûla 13 h 30 ; l’équipe augmenta alors le courant, et environ une heure plus tard l’ampoule surchauffa et se fendit. Le soir du 31 décembre 1879, Edison illumina son laboratoire et la rue voisine pour des visiteurs, avec des filaments en fer à cheval de carton carbonisé. En 1880, il adopta le bambou, avec des durées de vie annoncées d’environ 1 200 heures ; en 1882, la centrale de Pearl Street alimenta les premières lampes du sud de Manhattan. Après un conflit de brevets en Grande-Bretagne, les sociétés de Swan et d’Edison fusionnèrent en 1883 pour former « Ediswan ».

Vers 1910, William Coolidge, chez General Electric, trouva comment étirer le tungstène, métal cassant, en fil fin. À blanc, le tungstène s’évapore bien plus lentement que le carbone : les lampes purent chauffer davantage. Irving Langmuir remplit ensuite les ampoules d’un gaz inerte, de l’azote au début, qui freine encore l’évaporation, et enroula le filament en hélice. Dès 2009, l’Union européenne puis bien d’autres pays ont retiré progressivement les ampoules à incandescence ordinaires, remplacées par les lampes fluocompactes, puis les LED.