Qu’est-ce qu’un filament ?
Un filament est la partie émettrice de lumière d’un dispositif d’éclairage tel qu’une ampoule blanche. Il s’agit d’un élément résistif situé à l’intérieur de l’ampoule en verre et ayant la forme d’un long fil fin. Les filaments émettent de la lumière lorsqu’ils sont chauffés par un courant électrique.
Lors de son invention, le filament était appelé ampoule à charbon car le matériau utilisé était du papier carbonisé. Cependant, le filament brûlait dès qu’il brillait pendant environ une minute et n’atteignait pas un niveau permettant de l’utiliser dans la vie de tous les jours.
C’est pourquoi le métal tungstène est presque exclusivement utilisé de nos jours.
Utilisations des filaments
Les filaments sont utilisés comme sources de lumière dans les ampoules.
1. Lampes à incandescence
Les ampoules à incandescence sont bien connues pour être la principale utilisation des filaments. Le filament est constitué d’un mince fil de tungstène enroulé. Cependant, de nombreuses ampoules modernes d’éclairage général utilisent un filament à double spirale pour réduire la perte de chaleur.
Il existe différents types d’ampoules à incandescence, notamment les ampoules halogènes, les ampoules mini-krypton et les ampoules fluorescentes. L’intérieur de l’ampoule en verre est rempli d’un gaz inerte pour empêcher le filament de s’évaporer (argon, azote, krypton, xénon, etc.).
Les ampoules à incandescence produisent des couleurs et des intensités lumineuses différentes en fonction du type de gaz. Ces dernières années, certaines ampoules à incandescence autres que les ampoules halogènes et les mini-kryptons ont été abandonnées parce qu’elles n’étaient pas efficaces sur le plan énergétique.
C’est également pour cette raison que les diodes électroluminescentes, connues sous le nom de LED (Light Emission Diodes), sont de plus en plus utilisées de nos jours.
2. Ampoules LED à filament
Les ampoules LED à filament sont des ampoules dont le filament est reproduit par une LED. Les ampoules LED à filament se caractérisent par leur faible luminosité.
Cela s’explique par le fait qu’elles utilisent des LED longues et fines en forme de fil. De plus, de nombreux modèles ne sont pas équipés d’un dispositif de dissipation de la chaleur appelé dissipateur thermique. Il s’agit d’une limitation de conception qui empêche l’utilisation de LED de très grande puissance. Elles sont principalement utilisées pour l’éclairage d’appoint ou d’articulation.
En revanche, les ampoules LED générales peuvent utiliser des puces LED plus grandes et sont donc souvent plus lumineuses que les ampoules LED à filament.
Les ampoules LED à filament ont une durée de vie plus longue que les ampoules à incandescence ou fluorescentes, mais plus courte que les ampoules LED générales. Plus précisément, elle est d’environ 15 000 heures. Comme une ampoule LED classique dure de 30 000 à 40 000 heures, cela représente environ la moitié de la durée de vie d’une ampoule LED classique.
Principe du filament
Les ampoules à incandescence utilisent le principe de la chaleur Joule, qui est générée par le passage d’un courant électrique à travers un filament, rayonnant de la chaleur et émettant de la lumière. La chaleur Joule est l’énergie thermique générée par le passage d’un courant électrique dans un conducteur.
Par conséquent, pour que l’ampoule puisse être utilisée pendant une longue période, le filament doit être fabriqué dans un matériau à haute résistance et à haute résistance à la chaleur. Sinon, le filament lui-même ne résiste pas à la chaleur et brûle, ce qui le rend inutilisable comme source de lumière.
Le tungstène a un point de fusion extrêmement élevé de 3 653 K (3 379 °C), le plus élevé de tous les éléments métalliques. Par conséquent, il ne fond pas, même à des températures élevées, grâce à la chaleur Joule. C’est pourquoi le tungstène est souvent utilisé dans les filaments.
L’intérieur de l’ampoule est rempli d’un gaz inerte, ce qui garantit une longue durée de vie à l’ampoule. Cependant, le gaz inerte évacue également la chaleur du filament (perte de chaleur) en raison de la conduction et de la convection de la chaleur dans le gaz lui-même. Plus le poids atomique de l’élément est élevé, plus la perte de chaleur tend à être faible.
Autres informations sur les filaments
1. Filaments de bambou
En 1879, Edison a inventé l’ampoule à incandescence pratique. Le matériau de filament utilisé à l’époque était le bambou japonais. Le bambou convenait comme matériau de filament en raison de ses fibres épaisses, de sa résistance et de sa longévité.
Lorsque l’ampoule électrique a été mise au point pour la première fois, Edison a utilisé un filament fait de coton enduit de suie et de goudron et carbonisé, et a réussi à maintenir l’ampoule allumée en continu pendant 40 heures. Toutefois, pour des raisons pratiques, il était essentiel de mettre au point une ampoule qui resterait allumée beaucoup plus longtemps.
Nous avons donc répété les expériences pour étudier la durée d’éclairage en utilisant divers matériaux familiers tels que le papier et le fil comme filaments. Au cours du processus, ils ont trouvé un ventilateur du Japon et ont fabriqué une ampoule en utilisant le bambou comme filament.
Lorsqu’il a mené des expériences d’éclairage avec cette ampoule, il a constaté qu’elle pouvait atteindre un niveau pratique, avec une durée d’éclairage plus longue que les matériaux précédents. Edison a ensuite mené des expériences d’éclairage avec différents types de bambous du monde entier afin de trouver le meilleur bambou pour le filament.
Il a été découvert que le bambou Hachiman de Kyoto, au Japon, permettait de maintenir la lumière allumée pendant plus de 1 000 heures en moyenne, ce qui a conduit à son utilisation pratique.
2. Filament et filé
Le mot filament est utilisé pour désigner la partie de la source lumineuse d’une ampoule, et les fibres longues et continues, comme la soie, sont appelées filaments.
Filament est un mot anglais signifiant à l’origine fibreux. En revanche, le filé est fabriqué en alignant de courtes fibres parallèles les unes aux autres, comme le fil de coton, et en les tordant pour former un seul brin.
Il existe deux types de filament : le fil monofilament et le fil multifilament. Le premier fait référence à un long fil unique, comme un fil de pêche. Le second désigne un fil unique obtenu en tordant des dizaines de fils ensemble. Dans les fibres naturelles, le fil de soie entre dans cette catégorie. La soie brute est obtenue en défaisant les cocons exhalés par les vers à soie, et le fil de soie est obtenu en les nettoyant.
Il n’existe pas de types spécifiques de filés. La plupart des fibres naturelles telles que le coton et le chanvre entrent dans cette catégorie.