Photographie/Éclairage/Lampes à arc
Généralités.
Lors des orages, les éclairs qui éclatent entre le sol et les nuages ou entre les nuages sont autant d'arcs électriques, capables d'illuminer brièvement le paysage lorsqu'ils se produisent de nuit. Ce phénomène est évidemment connu depuis la nuit des temps mais il ne fut pas facile de le comprendre et de l'attribuer à des décharges électriques...
C'est le chimiste anglais Sir Humphry Davy qui découvrit, en 1809, la façon de reproduire artificiellement les arcs électriques. Il obtint un arc de 8 cm de long après avoir amené en contact deux baguettes de charbon reliées aux deux pôles d'une batterie d'éléments Volta ; entre les deux baguettes se produisit une flamme qui s'incurva en forme d'arc de cercle sous l'effet du courant d'air chaud ascendant, c'est pourquoi il donna à cette flamme le nom d'arc électrique, qui fut conservé depuis.
Les températures très élevées produites par les arcs électriques sont très largement utilisées de nos jours dans l'industrie, par exemple pour le soudage ou l'affinage des aciers.
L'arc électrique nu.
Les premières lampes à arc comportaient deux électrodes de charbon de bois entre lesquelles on faisait éclater la décharge électrique. On obtenait ainsi une lumière très vive, avec une assez forte dominante violacée. Le charbon se consumait relativement vite, ce qui obligeait à prévoir un système d'avance manuel ou automatique pour compenser l'usure inévitable.
Lorsqu'un arc est alimenté en courant continu, on constate que l'électrode positive se creuse pour former un petit cratère, tandis que l'électrode négative forme une pointe plus ou moins émoussée portant de petites excroissances. Le cratère émet environ 85 % de la lumière produite par l'arc, c'est donc lui qui doit être tourné vers la surface à éclairer. L'électrode négative, qui doit toujours être placée en-dessous de l'arc, émet environ 10 % de la lumière et l'arc lui-même 5 % seulement.
Beaucoup de projecteurs de cinéma anciens étaient munis d'un éclairage à arc nu, c'est-à-dire que la décharge électrique s'y produisait librement dans l'atmosphère et non dans une enceinte fermée. Il en était de même pour les lampes qui équipaient les phares construits un peu partout dans le monde pour faciliter la navigation maritime et éviter les accidents.
Ces lampes à arc constituaient à l'époque la seule solution pour obtenir des émissions suffisamment intenses. Les électrodes ont été améliorées, le coke et le graphite ont été substitués au charbon de bois, additionnés de divers produits destinés à corriger la composition spectrale du rayonnement pour obtenir une lumière plus blanche ; un gainage de cuivre est venu limiter l'oxydation des parties inactives, tout en améliorant le refroidissement et en diminuant la résistance électrique.
Les arcs sont naturellement très instables et il faut les monter en série avec des résistances, elles-même fortes consommatrices d'énergie électrique. Pour compenser l'usure des électrodes sous l'effet de la combustion, il faut utiliser un mécanisme capables de les rapprocher de façon continue de façon que leur écartement reste constant. L'électrode positive, plus chaude que l'autre, s'use nettement plus vite. En pratique la consommation est de l'ordre de 3 cm par heure, ce qui donne une autonomie de l'ordre de 5 à 10 h compte tenu des longueurs d'électrodes usuelles. Cette usure est évidemment un inconvénient majeur des lampes à arc nu.
Les bougies de Jablochkoff.
Un électrotechnicien russe installé en France, Paul Nicolaïewich Jablochkoff, améliora grandement les lampes à arc en plaçant les deux électrodes parallèlement et non plus en regard l'une de l'autre. Un revêtement d'argile permettait de les maintenir en place et de les isoler l'une de l'autre, tandis que l'amorçage de l'arc était obtenu non plus par mise en contact puis séparation des électrodes, mais par un petit ruban de carbone les mettant en court-circuit. L'utilisation du courant alternatif, dont Jablochkoff fut un des promoteurs, permettait d'obtenir une usure égale sur les deux électrodes. En 1876, un an avant l'invention de la lampe à incandescence par Thomas Edison, les lampes à arc de Jablochkoff ont permis d'illuminer de vastes espaces publics à Paris et à Londres.
L'arc électrique semi-clos.
Dès 1895, Charles F. Brush, ardent promoteur de la lampe à arc, eut l'idée de faire éclater l'arc dans un globe semi-clos permettant de réduire l'arrivée d'oxygène et par là-même, de ralentir la combustion des électrodes, dont la durée de vie a pu atteindre 150 heures. Cet avantage considérable était cependant contrebalancé par une baisse notable de rendement.
Les lampes à arc semi-clos de Brush et de quelques autres fabricants ont connu un rapide succès pour l'éclairage des rues et des locaux industriels jusque dans les années 1910, mais elles ont disparu tout aussi vite lorsque les premières lampes à incandescence de forte puissance sont venues les supplanter.
Vers 1912, des lampes à arc ont permis d'éclairer la patinoire de Toronto, permettant à l'équipe locale de jouer en « nocturne ».
Les lampes à arc au xénon.
La décharge électrique dans les gaz à haute pression forme des arcs de faible longueur par rapport aux dimensions des électrodes. C'est pourquoi on parle de lampes à arc court ou de lampes à arc compactes. Selon la puissance et l'application envisagée, la longueur de l'arc va de 0,3 mm à plus de 1 cm. Parmi toutes les sources lumineuses, ces lampes présentent les plus fortes luminances connues et en usage continu ce sont elles qui se rapprochent le plus de la notion théorique de « source ponctuelle ».
L'enveloppe est faite de quartz très pur et présente généralement une forme sphérique ou ellipsoïdale. Le matériau le plus largement utilisé pour la fabrication des électrodes est le tungstène.
La plupart des lampes à arc compactes sont alimentées en courant continu, ce qui améliore la stabilité de l'arc et allonge de façon substantielle la durée de vie. Il faut une impulsion à haute tension pour ioniser le gaz au moment de l'allumage et une alimentation régulée pour le fonctionnement en régime permanent.
Les lampes à arc au xénon atteignent 80 % de leur puissance nominale au bout d'un temps qui peut aller de 5 s pour les lampes de phares d'automobiles à une dizaine de minutes pour les gros spécimens. Elles sont conçues pour fonctionner verticalement ou horizontalement. L'arc émet une lumière très proche de celle du soleil (température de couleur de 6 000 K), le spectre est largement étalé du côté de l'infrarouge et s'étend assez loin dans l'ultraviolet. Il comporte une partie continue avec des raies très intenses dans le proche infrarouge entre 800 et 1 000 nm et d'autres, moins marquées, du côté du bleu.
Les puissances absorbées vont de 75 W à plus de 30 kW, la tension entre les électrodes variant de 10 000 V pour une petite lampe à 30 kV pour une très grosse. Le rendement lumineux augmente avec la puissance, de 30 lm/W environ pour une lampe de 1 000 W jusqu'à 150 lm/W pour une lampe de 20 kW.
Les lampes au xénon sont destinées aux éclairages continus et on les trouve par exemple dans les scialytiques des cabinets dentaires ou des salles d'opération, dans les phares d'automobiles, dans les vidéoprojecteurs, etc.

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