Agrgation de Gnie Civil SIP CPAT Georges Zissis

Agrégation de Génie Civil SIP CPAT Georges Zissis CPAT - U. Toulouse III

Le rayonnement EM et la lumière SIP CPAT Quelques relations fondamentales 380 nm 760 nm Bande 1 2 3 4 5 6 7 8 Couleur Violet Foncé Violet Bleu-vert Vert Jaune Orange Rouge Limites (nm) 380 - 420 - 440 - 460 - 510 - 560 - 610 - 660 760 - 760

Que signifie "Voir" ? SIP CPAT Voir : Utiliser unphotorécepteur afin de détecter, localiser et identifier un objet éclairé par une source de lumière Photorécepteur o Luminosité o "Couleur" Source de lumière o Puissance émise (Flux) o Spectre Objet o Couleur o Forme

Le photo-récepteur SIP CPAT Fovéa Cônes & bâtonnets L’œil humain est comparable à un appareil photographique On ne peut pas détecter la réaction du cerveau à un seul photon Cellules Horizontales Bipolaires, Amacrines Ganglionnaires

La réponse du photorécepteur 1. Luminosité SIP CPAT 4 L ’œil présente un maximum de sensibilité vers 555 nm dans les conditions de vision photopique 41 watt (W) émit à 555 nm vaut 683 lumens (lm) 4 Autour de cette longueur d ’onde la sensibilité décroît et s’annule vers 380 nm et 760 nm. v. Très nombreux (~125 millions) v. Très sensibles (1 bâtonnet peut réagir à 1 seul photon, mais le h quantique n’est que de 50%) v. Insensibles à la couleur v. Lents à l’adaptation De la cornée à la rétine (exclue) la courbe de transmission spectrale couvre une gamme de 300 nm à 1400 nm. Le cristallin porte la limite inférieure globale à 380 nm au lieu de 300 nm

La réponse du photorécepteur 2. Couleur SIP CPAT 4 Le seuil de sensibilité d’un bâtonnet est environ 100 fois plus bas que celui d’un cône ! 4 Quand à la vitesse de réaction, celle des cônes est au moins 4 fois plus grande que celle des bâtonnets (100 ms). 4 Les bâtonnets sont sujets à une désensibilisation progressive, qui n ’est complète que par un ciel bleu d’été à midi. v. En petit nombre (~ 5 millions/œil) v. Sensibilité moyenne v. Grande vitesse de réponse v. Sensibles à la couleur L'œil perçoit des longueurs d'onde et le cerveau "voit" des couleurs Un objet semble être coloré car il absorbe sélectivement certaines longueurs d'onde de la lumière incidente

Les grandeurs et les unités 1. Le flux SIP CPAT Equivalent Energie émise (W) Filtre V(l) Flux lumineux (lm) Flux Débit

Les grandeurs et les unités 2. L'intensité lumineuse SIP CPAT Equivalent Source lumineuse ponctuelle O X q X' Unité : le candela (cd) 1 cd = 1 lm/sr Flux dans une direction Débit dans une direction

Les grandeurs et les unités 3. L'éclairement O Source lumineuse E = ∆Fabs/∆S Unité : lx ou lm/m 2 CPAT L'angle solide (sr) Objet X SIP

Les grandeurs et les unités 4. L'excitance SIP CPAT F sur 2π sr Source lumineuse non-ponctuelle M = ∆Femis/∆Ssource Unité lm/m 2 S source

Les grandeurs et les unités 5. La luminance SIP CPAT Illustration I q Surface apparente A q q Lq = Iq/Sapp Unité cd/m 2 ou lm/sr. m 2 I Surface apparente a

Les grandeurs et les unités 6. Synthèse SIP CPAT

Lois de base 1. Loi de l'inverse du carré de la distance CPAT Source Ponctuelle ∆w I = ∆F/∆w S 1 S 2 Conséquence d 1 L'éclairement diminue en s'éloignant de la source d 2 X SIP

Lois de base 2. Loi du cosinus Source Ponctuelle CPAT d Ia a h O Plan utile SIP Généralisation a Pour une source uniforme et non-ponctuelle P

Lois de base 3. Loi de Lambert SIP CPAT Pour une surface parfaitement diffusante q L L(q) = constante I 0 Iq Iq = I 0 cosq P Loi de Lambert

Réflexion - Transmission SIP CPAT Cas idéal Cas réel Pin Pr Pr Coef. de réflexion r Pth Coef. de transmission t Pin = Pr + Pt r+t=1 Pt Pt Pin = Pr + Pth r+t+a=1 La température augmente

Réflexion Spéculaire Loi de Descartes La vitesse de la lumière est constante SIP CPAT b La lumière se déplace sur le chemin le plus court P' entre deux points dans l'espace (ligne droite) a || OP || = || OP' || a=b (angle de départ = angle d'arrivée) Les points POO' définissent un plan perpendiculaire à la surface de réflexion Surface parfaitement lisse O' P O

Réflexion Diffuse SIP CPAT Pas de direction ni plan privilégiés Etat microscopique de la surface Faisceau incident a Surface réelle Réflexions O

Coefficients de réflexion r Réflexion diffuse : rd Réflexion spéculaire rs Réflexion totale rtot = rs+ rd Dans tous les cas rtot ≤ 1 et rtot + a = 1 Relations Surface parfaitement diffusante Surface parfaitement réfléchissante SIP CPAT

La couleur 1. Le rôle de cônes SIP CPAT Il existe 3 types de cônes Bâtonnets Trois "couleurs" principales : Rouge, Vert, Bleu

La couleur 2. L'œil perçoit des longueurs d'onde et le cerveau "voit" des couleurs SIP CPAT Synthèse additive Synthèse soustractive En moyenne, notre œil est capable de discerner plus de 350 000 couleurs différentes Mais très peu de personnes ont une perception correcte des couleurs

La couleur 3. Représentation RVB SIP CPAT Le système RVB B Couleur "a" [r, v, b] Cyan [0, 1, 1] [0, 0, 1] Magenta [1, 0, 1] Noir [0, 0, 0] Blanc [1, 1, 1] Base : R= 700 nm, V = 546, 1 nm, B = 435, 8 nm LR = 1 cd/m 2, LV = 4, 59 cd/m 2, LB = 0, 06 cd/m 2 Coordonnées du blanc (W) : 1/3 - 1/3 [0, 1, 0] [1, 0, 0] R Jaune [1, 1, 0] V En réalité beaucoup de couleurs ne peuvent pas entrer dans cette représentation !

La couleur 4. Le triangle de couleurs R Plan r'+v'+b'=1 Lieux de couleurs du spectre B Projection (x, y) V Cette représentation n'est valable que pour la lumière émise par un source ("lumières d'orifice") SIP CPAT

La couleur 5. Approche visuelle SIP CPAT L'espace de Munsell et sa représentation simplifiée T = teinte S = saturation L = luminosité

La couleur des objets SIP CPAT

Sources de lumière Quelques ordres de grandeur Sources primaires Soleil Lampe à incandescence 100 claire Lampe à incandescence 100 dépolie Lampe fluorescente 40 W (T 12) Bougie stéarique Papier banc (r=0, 8) Papier gris (r=0, 4) Papier noir (r=0, 04) CPAT Luminance (cd/m 2) 165 000 x 104 600 x 104 125 x 103 7 x 103 5 x 103 Sources secondaires Lune SIP 2, 5 - 3 x 103 100 50 5 La luminance minimum susceptible d'impressionner l'œil est de : Eclairées avec une lampe de 100 W équipé d'un diffuseur en verre opalin (Ø 38) Eclairement 400 lx 10 -9 cd/cm 2

Comment produire de la lumière sans électricité FROID CHAUD Incandescence Luminescence LUMIERE Je dois trouver beaucoup de lucioles 3 Feu 3 Torches 3 Chandelles 3 Lampes à huile 3 Bio-luminescence 3 Phosphorescence 3 Tribo-luminescence 3 Thermo-luminescence 3 Foudre SIP CPAT

Comment produire de la lumière avec électricité Arc Electrique Incandescence Arc au charbon Humphry Davy & Michael Faraday 1812 Filament au charbon Thomas Edison 1878 SIP CPAT

La famille des lampes électriques SIP CPAT Pression opérationnelle Agrégats Filtre sélectif Type de spectre d'émission Mode d'excitation Halogène L. E. D Classique Filament de W Décharge électrique Incandescence Luminescence Electroluminescence

Production de la lumière SIP CPAT Méthode "chaude" Milieu Dense Interactions Fortes Filament métallique chaud Méthode "froide" Spectre Continu Milieu dilué Interactions Faibles Atomes Molécules Spectre de raies

SIP CPAT

Les lampes sont partout ! SIP CPAT Eclairage des Monuments Applications Industrielles Eclairage Intérieur Eclairage Public Véhicules & Transport Panneaux d'affichage

Quelques chiffres SIP CPAT 430 milliards de lampes fonctionnent chaque jour sur terre 410 milliards de nouvelles lampes sont produites chaque année 41 000 TWh d'énergie électrique sont consommées par an 41 TWh pour la France en 1999 40 GWh pour Toulouse (1995) 410% de la production mondiale de l'électricité J 11, 5 % pour la France J 21% pour les USA J 34% pour la Tunisie 41000 millions de tonnes de CO 2 sont injectées dans l'atmosphère par an En 1979 : 5 TWh En 1999 : 14 TWh 480 tonnes de déchets contaminés au Hg sont collectées chaque année en France

La question: SIP CPAT La t ô t u l p t s e e! e x s e l n o p p ré com

Quelques définitions (le photorécepteur) SIP CPAT L'œil perçoit des longueurs d'onde et le cerveau "voit" des couleurs 1 watt (W) émit à 555 nm vaut 683 lumens (lm) Un objet semble être coloré car il absorbe sélectivement certaines longueurs d'onde de la lumière incidente

Un exemple de "Couleur" SIP CPAT Original Sodium Basse pression Mercure Haute Pression Sodium Haute Pression

Quelques définitions (la source de lumière) Puissance émise Pr (l) SIP CPAT Spectre Il Efficacité électrique (%) : Puissance électrique Pin Efficacité lumineuse (lm/W) : : Indice Rendu Couleurs IRC Temp. de couleur Tc Continu Raies (ou bandes) Mixte

Une première réponse SIP CPAT La qualité d'une source de lumière ne peut être définie qu'en fonction de l'application pour laquelle a été réalisée h Bon Sodium Basse Pression Éclairage routier MHL Sodium (quartz) Haute Pression Mercure Haute Pression Moyen 200 lm/W IRC~0 MHL (céramique) Sodium Haute Pression "White" Éclairage intérieur incandescence 12 lm/W IRC~100 Faible 0 100 IRC

SIP CPAT

Histoire du développement des lampes SIP (1 e Période) Incandescence remplie avec du gaz CPAT Systèmes à arc expérimentaux LPS Filament au tungstène Néon Lampe Fluorescente (T 12) Incandescence (filament spiralé) MHP HPS Fluorescente Forte intensité (T 8) Halogène LED MHL Incandescence (filament axial) 1897 -1913 1930 -1938 (J. Waymouth, LS: 5, 1989) 1955 -1965

Histoire du développement des lampes (2 e Période) CPAT 1970 -1989 Fluorescent compact (CFL) MHL miniature Ballast électronique Incandescence (filtre sélectif) (J. Waymouth, LS: 5, 1989) SIP 1990 -… ?

Évolution de l'efficacité lumineuse des sources Evolution de l'efficacité Lampe au Soufre Fluo Compacte (CFL) Na Haute Pression (SON) Na HP blanche Fluorescent Na Basse pression (LPS) HID/MHL Incandescence L'industrie des lampes a-t-elle atteint quelque limite thermodynamique ? (J�. Waymouth, ALITE-95) SIP CPAT

La limite théorique pour la lumière blanche BB (J�. Waymouth, ALITE-95) SIP CPAT

Histoire du développement des lampes (3 e Période) SIP CPAT 1970 -1989 Fluorescentes Lampe Sans électrodes (T 5 et Sans mercure HF/RF sans mercure) (Zinc) Fluorescent compact (CFL) Agrégats MHL miniature Ballast électronique Hg-UHP Excimer Contrôle de la couleur Soufre HP Configurations 2 -D Incandescence (filtre sélectif) LED forte Intensité Et LED UV 1990 -…

La lampe n'est qu'un élément d'un système complexe Energétique Architecture. . . Environnement Récepteur Lampe Source de puissance h Réseau Génie électrique Electronique. . . Phys. plasmas Chimie Matériaux. . . Physiologie Ergonomie Psychologie. . . SIP CPAT

Les "10 commandements" d'une bonne lampe SIP CPAT Produit le maximum de lumière avec le minimum de l'énergie électrique Ne pollue pas Produit une "bonne" lumière Soit recyclable Soit légère et compacte Spectre IRC Température de couleur Produit une lumière stable sans fluctuations constante sur toute ta vie Chaleur UV Interférences EM Matériaux toxiques Ait une longue vie Produit toute Soit interchangeable Ne coûte pas cher avec d'autres lampes ta lumière instantanément

Dans un monde sans lampes. . . SIP CPAT … tous les chats sont gris !