Ampoules à incandescence

L'ampoule à incandescence est la doyenne de l'éclairage électrique : une résistance de tungstène portée à incandescence dans une bulle de verre, branchée en direct sur le secteur. Interdite à la vente en Europe depuis 2012, elle reste pourtant le meilleur exemple imaginable d'un composant dont la marque « 60 W » cache une vérité bien plus fine : une résistance qui change de valeur avec sa température. Comprendre pourquoi elle grille presque toujours à l'allumage, pourquoi son verre noircit et pourquoi 95 % de sa puissance part en chaleur, c'est apprendre en même temps la loi d'Ohm, l'effet Joule et la physique du rayonnement du corps noir.

1. C'est quoi ?

Une ampoule à incandescence (incandescent light bulb ou lamp en anglais, nom iceberg : LIGHTBULBS) est une enveloppe de verre scellée contenant un filament (filament) de tungstène (tungsten), fixé à un culot à vis (screw base) qui se visse dans la douille du luminaire. Quand le courant traverse le filament, celui-ci chauffe par effet Joule jusqu'à environ 2 700 K et devient littéralement incandescent : il émet une lumière blanche-chaude, comme un métal porté au rouge dans une forge. Tout le monde résumait l'objet par « consomme 60 W » : c'est la puissance électrique absorbée, pas la lumière rendue.

Cet objet paraît banal, mais son électronique interne est remarquable : entre froid et chaud, la résistance du filament varie d'un facteur quinze. Une 60 W ne fait donc pas toujours 880 Ω : elle fait environ 59 Ω à température ambiante, puis près de 880 Ω une fois chaude. Ce comportement, lié au coefficient de température du tungstène, est LE piège didactique de la page — et il explique à lui seul pourquoi les ampoules grillent presque toujours à l'instant de l'allumage.

Dans la vraie vie, on en croise (ou on en a croisé) dans des contextes très variés :

• les maisons d'avant 2012, dont les luminaires ont été conçus autour de lampes de 40 à 100 W ;
• les veilleuses de 15 et 25 W, si peu puissantes que leur verre restait à peine tiède ;
• les fours de cuisine, où une petite incandescente résiste aux cuissons sans broncher ;
• les lampes « vintage » à filament visible, aujourd'hui vendues comme objets décoratifs ;
• les lampes chauffantes de terrariophilie ou de couveuse, où la chaleur est le but recherché ;
• et les ateliers d'électronique, où une ampoule sert encore de charge de test, de témoin de tension ou de « lampe limiteur » pour diagnostiquer un appareil en court-circuit.

Pour un débutant, l'ampoule est aussi un excellent objet d'étude : c'est l'un des rares composants domestiques qui se décrivent entièrement avec la loi d'Ohm, les formules de puissance et un peu de thermique — sans semi-conducteur, sans polarité, sans datasheet à déchiffrer. Toute sa complexité est physique, pas algorithmique, et elle se visualise d'un coup d'œil.

2. Comment ça marche ?

L'effet Joule, moteur de tout

Le courant qui traverse un métal se heurte aux atomes en vibration : l'énergie électrique se convertit alors en chaleur. C'est l'effet Joule, quantifié par la loi d'Ohm et sa jumelle, la formule de la puissance :

U = R × I

P = U × I = R × I² = U² / R

Le filament est dimensionné pour dissiper la puissance voulue. Pour une 60 W sous 230 V, la valeur nécessaire une fois chaude est :

R = U² / P = 230² / 60 = 52 900 / 60 ≈ 880 Ω

et le courant d'usage qui l'accompagne :

I = U / R = 230 V / 880 Ω ≈ 0,26 A

On boucle la cohérence avec la puissance :

P = U × I ≈ 230 V × 0,26 A ≈ 60 W

Attention : ces 880 Ω ne valent qu'à chaud, en régime établi. C'est le point le plus formateur de la page, nous y reviendrons deux fois.

L'incandescence : un filament qui rayonne comme un corps noir

Porté à très haute température, le tungstène émet un rayonnement thermique : tout corps au-dessus du zéro absolu en émet, et plus il est chaud, plus l'émission est intense et décalée vers les couleurs claires. Vers 1 000 K, le métal rougeoie en rouge sombre ; vers 1 500 K, il vire à l'orange ; vers 2 700 K, il émet un blanc chaud, et la physique le modélise alors très bien par le corps noir.

Le spectre émis est continu : toutes les longueurs d'onde du visible sont présentes, ce qui donne cette lumière dont le rendu des couleurs a servi de référence pendant un siècle. Une LED, elle, part d'une émission bleue très étroite en spectre, qu'une couche de phosphore transforme ensuite en blanc. Mais le corps noir a un revers : sa lumière ne devient majoritairement visible qu'à des températures nettement plus élevées, de plusieurs milliers de kelvins. À 2 700 K, le pic d'émission se situe autour de 1 000 nm, dans l'infrarouge. Résultat : sur les 60 W absorbés, environ 57 à 58 W repartent rayonnés ou convectés en chaleur, et 2 à 3 W seulement ressortent en photons visibles — d'où un rendement lumineux (luminous efficacy) de 10 à 15 lumens par watt, à comparer au maximum théorique de 683 lm/W (corps noir idéal) et aux 80 à 120 lm/W d'une LED moderne.

Le schéma d'une ampoule en coupe

SchémaCoupe longitudinale d'une ampoule à incandescence

Pourquoi le tungstène et pas un autre métal ?

Un fil de cuivre parcouru par le courant fond bien avant d'émettre utilement : il rougeoie, se ramollit, finit en boule vers 1 085 °C. Le filament demande une matière qui réunisse quatre qualités :

• résister au feu : le tungstène fond à 3 422 °C, la meilleure prouesse du tableau périodique parmi les métaux courants (l'osmium, 3 033 °C, est trop rare et trop difficile à travailler) ;
• se tirer en fils ultrafins : après traitement thermique, le tungstène est ductile, on en tire des fils de vingt microns pour les lampes modernes ;
• conduire le courant juste assez : sa résistivité est environ trois fois celle du cuivre ; à 880 Ω, le filament d'une 60 W représente quelques dizaines de centimètres de fil, enroulés en double spirale dans l'ampoule ;
• et surtout, avoir un coefficient de température positif marqué : quand il approche du rouge, sa résistance bondit, ce qui auto-régule le courant — propriété cruciale pour la stabilité de l'éclairage, et le piège de l'allumage.

Le charbon des premières lampes d'Edison et de Swan supportait la chaleur mais s'évaporait bien trop vite ; le tantale et l'osmium ont servi brièvement au début du vingtième siècle ; depuis, tout le monde dit tungstène.

Évaporation, noircissement, gaz inertes

À 2 700 K, le tungstène non seulement brille : il s'évapore lentement. Les atomes les moins liés quittent le filament, se déposent sur l'enveloppe et y forment un voile métallique brun-noir. Une ampoule fatiguée noircit au sommet de l'enveloppe : ce n'est pas de la suie, c'est du tungstène perdu. Conséquence fâcheuse : le filament, qui commençait à vingt microns de diamètre, s'amincit jusqu'au point le plus fragile, et ce point finit par rompre — d'où les 1 000 heures de vie officielles, rarement dépassées.

Deux astuces de fabricants allongent le service :

• le gaz inerte (inert gas) : les toutes premières lampes faisaient le vide ; depuis 1913, on remplit l'ampoule d'argon, souvent additionné d'azote. Les atomes du gaz freinent la diffusion du tungstène évaporé vers les parois : enveloppe plus propre, filament qui vit plus longtemps, et températures de fonctionnement plus hautes sans raccourcir la vie ;
• le cycle halogène, qu'on voit fonctionner dans les ampoules halogènes : on y ajoute un gaz halogéné (iode ou brome). Le tungstène évaporé se combine à l'halogène près du verre, puis — si la paroi reste chaude, au-dessus de 250 °C — se redépose sur le filament plutôt que sur les parois. Résultat : verre toujours propre, filament reconstruit en permanence, température poussée vers 3 000 K, rendement vers 20 lm/W. L'enveloppe devient du quartz, plus petite et beaucoup plus chaude que le verre classique.

Culots, tensions, variantes

L'ampoule se visse ou s'emboîte selon plusieurs standards qui restent d'actualité :

Culot	Type	Usage courant
E27	grand vis (Edison 27 mm)	lampes domestiques 230 V en Europe
E14	petit vis	veilleuses, fours, frigo, lampes de table
B22	baïonnette	Royaume-Uni, Australie, Inde
GU10	deux pitons carrés	spots et projecteurs 230 V (halogène puis LED)
G4, GY6.35	broches fines	halogènes basse tension 12 V des spots et vitrines

La tension d'alimentation change la construction. Une ampoule 12 V (véhicule, projecteur basse tension) a un filament court et épais : à puissance égale, une résistance plus faible exige un plus gros courant, donc un fil plus robuste, mécaniquement plus résistant aux vibrations et plus lent à s'amincir. Une ampoule 230 V a un filament long et fin : économique à câbler (aucun convertisseur nécessaire dans un lampadaire), mais plus fragile aux vibrations. C'est la même physique, vue depuis les deux extrémités du fil.

3. Dans le vrai monde

Les chiffres à retenir

• Puissances historiques domestiques : 15, 25, 40, 60, 75, 100, 150 W ; 200 à 300 W pour les projecteurs.
• Rendement lumineux : environ 9 lm/W pour une 25 W, jusqu'à 15 lm/W pour une 150 W. Les grosses ampoules sont les plus efficaces, leur filament est plus chaud.
• Durée de vie : 750 à 1 000 h pour les puissances courantes, 2 500 h pour les petites lampes froides.
• Température de filament : de 2 550 K (veilleuse) à environ 3 000 K (projecteur).
• Température du verre : 100 à 150 °C sur le haut de l'enveloppe d'une 60 W, jusqu'à 250 °C au col et au culot d'une 100 W.
• Prix d'époque : 1 à 3 € l'ampoule standard E27. Aujourd'hui, les lampes de substitution (four, vintage) se vendent plutôt 3 à 10 € pièce.

Ce qui lui a fait de l'ombre

Technologie	Efficacité lumineuse	Durée de vie	Prix indicatif (E27)
Incandescente classique	9 à 15 lm/W	1 000 à 2 500 h	1 à 3 € (stock résiduel)
Halogène	16 à 25 lm/W	2 000 à 4 000 h	2 à 5 €
Fluocompacte (CFL)	40 à 60 lm/W	6 000 à 10 000 h	3 à 8 €
LED moderne	80 à 120 lm/W	15 000 à 25 000 h	2 à 10 €

À flux lumineux égal, l'ampoule consomme dix fois plus et dure vingt fois moins que la LED. C'est ce delta, répété par des centaines de millions de foyers, qui a motivé l'interdiction européenne.

L'interdiction européenne, 2009 à 2012

Le règlement européen d'écoconception n° 244/2009 a organisé le retrait par paliers de puissance :

• septembre 2009 : interdiction de fabrication et d'importation des 100 W et supérieures ;
• septembre 2010 : retrait des 75 W ;
• juin 2011 : retrait des 60 W, les plus vendues de toutes ;
• septembre 2012 : retrait des 40 W et de toutes les incandescentes domestiques restantes.

La vente des stocks déjà importés a continué jusqu'à épuisement, ce qui explique qu'on ait pu croiser des incandescentes en magasin jusqu'en 2013-2015. Les halogènes classiques ont suivi entre 2016 et 2021. Concrètement : la LED qui remplace une 60 W produit le même flux (environ 710 à 810 lm) en consommant 7 à 10 W au lieu de 60 W, et dure vingt ans à raison de trois heures par jour.

Où elles survivent encore

Des niches exemptées, persistantes ou créées par le marché :

• Fours, réfrigérateurs, machines à coudre : les petites E14 de 15 à 25 W restent de la partie, pas chères, increvables, et parfaitement à l'aise à 250 °C dans un four électroménager. La LED de four existe aujourd'hui, mais seules quelques références tolèrent ces températures en continu.
• Lampes « rough service » : enveloppes renforcées pour ateliers, chantiers et machines à vibrations, vendues comme lampes spéciales exemptées.
• Lampes vintage à filament visible : filaments épais, boucles larges, effet « loft ». Au sein du marché décoratif, certaines sont officiellement classées comme lampes spéciales ou chauffantes.
• Lampes chauffantes (terrariophilie, couveuses, plantes) : ici on achète explicitement de la chaleur rayonnante. L'incandescence est le composant idéal : rayonnement large, commande par simple variateur, pas d'électronique de commutation à griller.
• Lampes étalons de photométrie : en laboratoire, une incandescente alimentée sous tension très régulée sert de source de référence de luminance et de température de couleur, certifiée au dixième de kelvin près.
• Charges de test : en électronique, une incandescente est une résistance tolérante aux surcharges, indifférente à l'inversion de polarité, et jetable après service — le rêve du banc d'essai.

Les usages de l'atelier électronique

1. Charge factice : pour tester une alimentation ou une sortie audio sous charge réelle sans brancher un haut-parleur fragile, une ampoule de la puissance adaptée fait office de résistance pure, thermiquement robuste et sans odeur de brûlé quand on la pousse.
2. Lampe limiteur en série : toujours en réparation de radios et d'amplis anciens, on insère une 60 W en série avec le 230 V avant de mettre l'appareil suspect sous tension. Si l'ampoule s'allume à fond, l'appareil absorbe tout le courant : court-circuit probable. Si elle rougeoie à peine, l'appareil se comporte normalement. Économique, visuellement limpide, difficile à griller.
3. Témoin de présence de tension : une douille fixée au banc, une ampoule 230 V, et on voit instantanément si une prise, un interrupteur ou un disjoncteur laisse réellement passer le courant.
4. Vernis de nostalgie du labo : sur un banc d'essai vintage, une ampoule dont le col est noirci par des dizaines d'années de service, montée sur socle, raconte mieux qu'une LED quelconque. Certains praticiens utilisent même l'intensité du voile noirci comme odomètre approximatif de l'ampoule.

4. Exemple pratique

Le comparateur d'ampoules

Avancez le curseur de puissance et observez : c'est la même physique à toutes les puissances, mais plus le wattage monte, plus le filament est chaud, plus le spectre glisse vers le visible, plus le rendement augmente — au prix d'une durée de vie raccourcie. Le second curseur fait varier l'efficacité supposée de la LED de comparaison.

Un des pièges les plus concrets de l'ampoule, en électronique comme en installation, tient au courant d'appel : le fil froid se laisse traverser quinze fois plus facilement que le fil chaud. Le schéma ci-dessous montre l'allure du courant à l'allumage d'une 60 W sous 230 V.

SchémaLe courant d'appel à l'allumage

Cet appel de courant est aussi violent que bref : le filament, qui pendant 100 ms fonctionne à quinze fois son courant nominal, subit une contrainte thermique énorme. Un filament déjà aminci par des centaines d'heures d'évaporation, avec son point faible local, ne le supporte pas : c'est précisément à cet instant, l'allumage, que se produit la plupart des ruptures de filaments. La panne d'une ampoule n'est jamais aléatoire : elle arrive quand le courant d'appel d'un soir dépasse ce que le point faible du jour peut supporter.

Exercice résolu : une 100 W / 230 V branchée sur 12 V

Énoncé. Dans le tiroir des récupérations, on exhume une ampoule marquée 100 W / 230 V et un bloc d'alimentation continue du labo réglé à 12 V. On branche l'ampoule sur la sortie 12 V. Que se passe-t-il ? Quelle puissance est dissipée, quelle lumière en sort ? Tentez le calcul vous-même, puis suivez la démonstration.

Étape 1 — la résistance nominale à chaud. L'étiquette impose 100 W pour 230 V. On isole R dans la formule de la puissance :

R_chaud = U² / P = 230² / 100 = 52 900 / 100 = 529 Ω

Étape 2 — la résistance à froid. Rappel du coefficient de température du tungstène : quinze fois moins résistif à la température ambiante qu'à chaud.

R_froid ≈ R_chaud / 15 = 529 / 15 ≈ 35 Ω

Étape 3 — la puissance disponible sur 12 V. On prend d'abord le scénario le plus optimiste : le filament reste froid (35 Ω).

P_max = U² / R_froid = 12² / 35 = 144 / 35 ≈ 4,1 W

et le courant initial :

I_initial = U / R_froid = 12 V / 35 Ω ≈ 0,34 A

Étape 4 — ce qui se passe vraiment. Les quelques watts disponibles chauffent le filament, qui monte légèrement en température — donc en résistance. Plus la résistance monte, plus la puissance délivrée diminue. Le système converge vers un point d'équilibre de l'ordre du watt : environ 1 W dissipé, une résistance autour de 145 Ω, et un filament stabilisé à quelques centaines de degrés Celsius — le rouge sombre, à peine perceptible dans une pièce obscure.

Conclusion. Sous 12 V, la 100 W éclaire moins qu'une bougie : mieux qu'une veilleuse éteinte, pire qu'une lanterne de poche. Elle se comporte comme une résistance qui glisse continuellement entre 35 et 145 Ω, dissipant de 1 à 4 W — un petit chauffe-mains de secours, guère plus. Le chiffre « 100 W » se révèle une promesse conditionnelle : il ne valait que si la tension atteint 230 V. Une ampoule n'est pas une boîte à watts, c'est une résistance dépendant de la température.

5. Vérifier sa compréhension

Essayez de répondre avant de lire l'encadré de réponses en bas de section.

1. Pourquoi choisit-on le tungstène pour le filament, alors que le cuivre est bien meilleur conducteur ?
2. Une ampoule marquée 60 W / 230 V attend éteinte depuis des heures dans un luminaire. Quel courant circule à l'instant même où on actionne l'interrupteur, et pendant combien de temps environ ?
3. Pourquoi l'intérieur du verre d'une ampoule ancienne noircit-il, et pourquoi l'intérieur des halogènes reste-t-il propre ?
4. Une LED est vendue « 810 lm, équivalent 60 W ». Avec une efficacité de 100 lm/W, quelle puissance consomme-t-elle réellement, et pourquoi le mot « équivalent » est-il un abus de langage assumé ?
5. Pourquoi une ampoule à filament casse-t-elle de préférence à l'instant de l'allumage, plutôt qu'après plusieurs heures de fonctionnement ?

6. Pour aller plus loin

• « Lampe à incandescence », article de Wikipédia francophone : synthèse complète, tableaux de rendements par technologie et historique des filaments. fr.wikipedia.org/wiki/Lampe_%C3%A0_incandescence
• « Incandescent light bulb », article de Wikipédia anglophone : plus détaillé sur la physique du rayonnement, l'introduction des gaz inertes et les familles de filaments (charbon, tantale, osmium, tungstène). en.wikipedia.org/wiki/Incandescent_light_bulb
• Règlement (CE) n° 244/2009 de la Commission, sur EUR-Lex : le texte juridique exact de l'interdiction, avec le calendrier des paliers de puissance. eur-lex.europa.eu/legal-content/FR/TXT/?uri=CELEX%3A32009R0244
• U.S. Department of Energy, « Incandescent Lighting » : référence d'usage sur les rendements et le sort actuel de la technologie aux États-Unis. energy.gov/energysaver/incandescent-lighting
• Chaîne YouTube « Technology Connections » : série documentaire de très bonne facture consacrée à l'éclairage — température de couleur, fin des halogènes, fonctionnement réel d'une LED. youtube.com/@TechnologyConnections