Quelle lampe éclaire le plus ?

Trois lampes à incandescence de puissances différentes sont reliées en série puis alimentées sur le secteur. Quelle est la lampe qui brillera et chauffera le plus ? Celle qui a la puissance la plus élevée, ou celle qui a la puissance la plus faible ? Faut voir…

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • 3 lampes à incandescence de 220 V de puissances différentes, par exemple 60 W, 75 W et 100 W

  • 3 supports de lampes correspondants

  • des fils électriques

  • un interrupteur pour le 220 V ou bien une prise de courant munie d’un interrupteur intégré

Montage et réalisation

Lorsqu’on fait des expériences en utilisant la tension du secteur il faut respecter les règles de sécurité adéquates.

L’idéal est de travailler avec une prise de courant munie d’un interrupteur intégré. Pour sa propre sécurité il ne faut intervenir sur le circuit que lorsqu’il est débranché.

Faire le montage électrique de la figure.

Appliquer la tension du secteur et fermer l’interrupteur : on est surpris de constater que c’est la lampe de puissance nominale la plus faible qui brille le plus.

La lampe de puissance nominale intermédiaire brille moins.

La lampe de puissance nominale la plus grande ne brille pratiquement pas, on peut d’ailleurs constater en la touchant qu’elle s’échauffe très peu.

Explications

Dans le montage série, toutes les lampes sont traversées par la même intensité alors que la tension de 220 V se partage de façon inégale entre les lampes.

Les tensions nominales indiquées sur les lampes correspondent à une tension appliquée de 220 V.

C’est la lampe de puissance nominale la plus grande qui possède la résistance la plus faible car :

(avec P : puissance électrique ; U : tension ; R : résistance du filament).

La tension U appliquée à chaque lampe est proportionnelle à la résistance de cette lampe ( ).

La lampe de puissance nominale la plus faible est donc soumise à la tension la plus élevée puisque c’est elle qui possède la résistance la plus grande.

Comme , et comme I est le même à travers toutes les lampes, c’est donc la lampe de puissance nominale la plus faible qui reçoit ici la puissance la plus grande, donc c’est celle qui brille le plus.

Puisque leurs résistances sont plus faibles, les autres lampes brillent moins.

La lampe de puissance nominale la plus grande a une résistance si faible que son filament s’échauffe à peine.

L’énergie qu’il émet est principalement sous forme de chaleur, il n’y a pratiquement pas de lumière visible.

Remarques

Cette expérience montre que les caractéristiques d’une lampe ne dépendent pas seulement de sa puissance nominale (celle qui est indiquée sur l’emballage), mais aussi de la tension correspondant à cette puissance.

L’information 100 W sans précision de la tension est tout à fait insuffisante. N’oublions pas par ailleurs que la puissance indiquée sur les lampes est la puissance électrique consommée, la puissance lumineuse émise n’en représente qu’une fraction très faible (de 1 à 10%).

Actuellement on utilise souvent des lampes à halogènes dont la tension de fonctionnement est de 12 V. A puissance électrique consommée égale, elles sont une résistance plus faible que les lampes de 220 V, ce qui correspond à un filament nettement plus épais. Ce filament plus épais peut être chauffé à une température plus élevée sans perdre sa résistance mécanique. C’est la raison pour laquelle le rendement lumineux des lampes basse tension est supérieur à celui des lampes de 220 V.

Ces lampes à halogènes basse tension sont remplies d’un mélange d’halogènes gazeux. Les atomes de métal du filament qui se vaporisent se combinent avec les halogènes. Lors d’un contact avec le filament, l’halogénure métallique se décompose en métal, qui se redépose sur le filament, et en halogène gazeux. Ce processus régénère le filament et prolonge ainsi la durée d’utilisation de la lampe tout en évitant la formation d’un dépôt métallique opacifiant sur l’ampoule. Ceci permet de conserver un rendement lumineux pratiquement constant.

 

Références

Université en Ligne : le courant électrique

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