2. Rayonnement thermique

Émetteurs gris et colorés     (2/2)

Lampes à incandescence

Bien qu'elles soient aujourd'hui largement remplacées par les lampes LED à économie d'énergie, les lampes à incandescence, ou plus communément appelées lampes à filament, sont des émetteurs de lumière dont les spectres correspondent assez bien à la loi de Planck sur le rayonnement. Cela est étonnant au premier abord, car l'émissivité du filament de tungstène est très faible, comme c'est le cas pour tous les métaux polis.

L'émissivité du tungstène dépend de la température. D'une valeur d'environ 0,03 à 25°C (ou 300K), elle passe à environ 0,46 à 2000°C (ou 1700 K) et, inversement, à environ 0,45 à 2800°C (ou 2500 K). Elle dépend également très fortement de la longueur d'onde, comme le montre le graphique suivant.

Emissivité du tungstène en fonction de la longueur d'onde à plusieurs températures.
Source: CRC Handbook of Chemistry and Physics, 60e édition, p. E-381.

La température réelle du filament d'une lampe à incandescence allumée est d'environ 2400 K et, à titre de comparaison, les lampes halogènes fonctionnent à environ 2700 K. Des températures plus élevées produisent plus de lumière, mais brûlent et font fondre le filament lorsqu'il s'approche du point de fusion du tungstène, à environ 3700 K, ce qui réduit la durée de vie du filament. Certaines lampes capables d'une très grande luminosité fonctionnent à 3400 K, mais s'éteignent au bout de deux heures environ.

En raison de $\epsilon <1$, la température de rayonnement d'une lampe à incandescence est inférieure à la température réelle. En outre, les pertes par réflexion d'environ 8 % sur l'ampoule en verre de la lampe contribuent également à cette différence. La température de rayonnement est souvent appelée température du corps noir, car si l'objet était un corps noir, il rayonnerait à cette température.

Si la loi de Planck sur le rayonnement ne peut pas très bien décrire la luminosité du spectre, elle peut en revanche décrire sa forme avec précision. La forme détermine la couleur de la lumière, c'est pourquoi la température résultant de la forme spectrale est appelée température de couleur. Le tableau suivant montre que la température de couleur correspond beaucoup mieux à la température réelle que la température du corps noir.