Fabriquer une ampoule électrique
L'ampoule électrique incandescente est le symbole de l'électrification. Elle transforme le courant électrique en lumière par l'échauffement d'un filament jusqu'à l'incandescence. Sa fabrication marque la maîtrise concrète de l'électricité. Cette page détaille la fabrication complète d'une ampoule à incandescence : le filament, l'ampoule en verre, le vide ou l'atmosphère inerte, et le montage final. Sans tube à vide, nous utiliserons des méthodes alternatives d'évacuation de l'air.
Principe de fonctionnement
Un courant électrique traverse un filament très fin et très résistant. La résistance du filament le porte à une température de 2000 à 3000 degrés, température à laquelle il émet de la lumière visible. L’ampoule en verre isole le filament de l’air ambiant, car l’oxygène oxyderait instantanément un filament porté à cette température. Deux solutions : le vide ou une atmosphère inerte (argon, azote).
Le filament
Le filament est la pièce critique. Il doit être :
- Très résistant électriquement (pour chauffer)
- Capable de supporter des températures extrêmes sans fondre
- Assez ductile pour être filé en un fil très fin
- Chimiquement stable dans le vide ou l’argon
Option 1 : Filament de carbone (la plus accessible)
Le filament de carbone est le plus facile à fabriquer à partir de rien. C’est celui des premières ampoules historiques.
Matériau de base : fibres de bambou
Le bambou est le meilleur matériau végétal pour filament de carbone. Ses longues fibres parallèles produisent un carbone très homogène après cuisson. Si le bambou n’est pas disponible, des fibres de coton très fines ou des fils de lin peuvent fonctionner.
- Sélection : Choisissez une tige de bambou mature, au moins 3 ans. Coupez des bandes longitudinales de 2 millimètres de large le long des fibres.
- Affinage : Fendez chaque bande en fils de 0,1 à 0,2 millimètre de diamètre. Utilisez une lame très fine (fragment de lame de scie à métaux affûtée). Chaque fil doit être régulier sur toute sa longueur.
- Carbonisation : Placez les fils de bambou dans un tube en terre cuite scellé. Chauffez le tube au rouge vif (environ 1000 degrés) dans un four pendant 2 heures, sans aucun accès d’air. Le bambou se transforme en carbone pur en conservant la forme des fibres. Le tube scellé empêche l’oxydation.
- Sélection finale : Examinez chaque filament au toucher et à la vue. Éliminez ceux qui sont cassants, irréguliers ou qui présentent des renflements. Un filament de carbone doit être élastique et d’un gris noir uniforme.
La résistance typique d’un filament de carbone de 8 centimètres de long et 0,15 millimètre de diamètre est d’environ 200 à 400 ohms, adaptée à une tension de 10 à 20 volts.
Forme en spirale
Pour augmenter la longueur du filament tout en le gardant compact, enroulez-le en spirale:
- Enroulez le filament de carbone autour d’un fil de support en fer de 0,5 millimètre de diamètre, en spires serrées de 0,5 millimètre d’espacement.
- Fixez temporairement les extrémités avec une goutte de colle végétale.
- Le filament en spirale sera monté sur les électrodes dans l’ampoule.
Option 2 : Filament de tungstène (supérieure mais difficile)
Le tungstène fond à 3422 degrés, ce qui en fait le filament idéal. Mais l’obtenir est un défi considérable.
- Source de tungstène : La wolframite (minerai noir brillant, densité élevée) et la scheelite (minerai jaunâtre qui fluoresce en bleu sous la lumière ultraviolette) sont les deux minerais principaux.
- Extraction : Broyez le minerai, séparez le tungstène par gravité et traitez-le avec de l’acide chlorhydrique ou de l’acide sulfurique pour éliminer les impuretés. Réduisez l’oxyde de tungstène avec de l’hydrogène ou du carbone dans un four à haute température.
- Filage : Le tungstène est extrêmement dur et ne peut être filé à froid qu’en très petits diamètres. À chaud (au-dessus de 1000 degrés), il devient malléable. Chauffez un fil de tungstène de 1 millimètre dans une atmosphère d’hydrogène et étirez-le à travers des filières en diamant ou en acier trempé de tailles décroissantes.
- Diamètre final : le filament d’ampoule moderne a environ 0,025 millimètre de diamètre. Cette finesse extrême est très difficile à obtenir sans machines spécialisées. Une alternative est d’utiliser un filament plus épais (0,1 à 0,2 millimètre) et de compenser en augmentant la tension ou en utilisant une spirale.
Cette option n’est réaliste que si vous disposez déjà d’un atelier de métallurgie avancé. Pour les premières ampoules, le carbone est préférable.
L’ampoule en verre
L’ampoule en verre protège le filament de l’oxydation et contient le vide ou le gaz inerte.
Souffler l’ampoule
- Matériau : Utilisez du verre sodocalcique (voir Fabriquer du verre) de préférence au borosilicate si vous le pouvez, car il résiste mieux aux chocs thermiques.
- Préparation : Chauffez une boule de verre au bout d’un tube de soufflage jusqu’à ce qu’elle soit parfaitement molle et homogène.
- Soufflage : Soufflez dans le tube pour former une sphère. Pour une ampoule standard, visez un diamètre de 5 à 8 centimètres et une paroi de 0,5 millimètre d’épaisseur uniforme. L’ampoule doit être ronde et sans bulles.
- Le col : Rétrécissez l’ouverture du côté du tube de soufflage pour former un col de 1,5 centimètre de diamètre et 3 centimètres de long. Ce col recevra les électrodes et sera scellé après l’évacuation de l’air.
- Recuit : Laissez refroidir lentement l’ampoule dans un four à feu descendant pendant plusieurs heures pour éliminer les tensions internes. Le verre non recuit éclate au premier choc thermique.
Base et culot
- Le culot est la partie métallique qui permet de visser l’ampoule dans une douille.
- Fabriquez un cylindre en laiton (alliage de cuivre et de zinc) de 2,5 centimètres de diamètre et 2 centimètres de haut.
- Le cylindre porte un filetage grossier en hélice (4 à 5 filets par centimètre) obtenu en tournant le laiton sur un tour rudimentaire.
- Le fond du culot comporte un disque isolant en verre ou en céramique qui sépare les deux contacts électrique.
- Le contact central (plot) est un petit disque en laiton de 5 millimètres de diamètre, isolé du cylindre par le disque isolant.
- Le cylindre extérieur constitue le deuxième contact (masse).
Les électrodes et le support
Le filament est maintenu entre deux électrodes qui traversent le verre du culot.
Électrodes
- Utilisez du fil de nickel ou de platine si possible. Ces métaux ont un coefficient de dilatation proche de celui du verre, ce qui assure l’étanchéité du passage travers le verre.
- Si vous n’avez pas de nickel, utilisez du fil de fer recuit. Le coefficient de dilatation est moins bien adapté, et le joint sera moins étanche, mais cela fonctionne pour une ampoule de courte durée de vie.
- Les fils d’électrode ont environ 0,5 millimètre de diamètre et 3 centimètres de long.
- Chaque fil est scellé dans le verre du culot lors de la fabrication du culot.
Support du filament
Un filament de carbone en spirale est fragile. Il doit être supporté.
- Souddez un petit crochet en fil de fer ou de nickel à chaque électrode, à l’intérieur de l’ampoule.
- Le filament en spirale est accroché entre les deux crochets.
- Pour les filaments longs, ajoutez un support central en verre. Soufflez une petite boule de verre au bout d’un fil de verre de 0,5 millimètre. Cette boule sert de point d’appui au milieu du filament.
L’évacuation de l’air (le vide)
Le vide est essentiel. Sans vide, le filament brûle instantanément.
Méthode par pompe mécanique (idéale)
Si vous disposez d’une pompe à vide (voir Construire un transistor pour les techniques de pompage), pompez l’air de l’ampoule jusqu’à atteindre une pression de moins de 0,01 atmosphère. Le vide n’a pas besoin d’être parfait pour une ampoule à filament de carbone. Un vide primaire suffit.
Méthode par déplacement (alternative sans pompe)
Sans pompe à vide, utilisez la méthode du déplacement par la vapeur d’eau :
- Placez un petit réservoir d’eau dans le tube reliant l’ampoule à la source de vide.
- Chauffez l’ampoule lentement avec une flamme, pendant que le réservoir d’eau bout.
- La vapeur d’eau chasse l’air de l’ampoule (la vapeur est moins dense et monte, poussant l’air vers la sortie).
- Continuez à chauffer l’ampoule pendant que vous scellez le tube d’évacuation.
- En refroidissant, la vapeur d’eau restante se condense, créant un vide partiel.
Méthode au phosphore
Une méthode ancienne pour améliorer le vide :
- Placez une petite quantité de phosphore rouge (voir Produire du soufre) dans l’ampoule avant scellement.
- Après avoir pompé le maximum d’air, scellez l’ampoule.
- Chauffez doucement le phosphore. En brûlant, il consomme l’oxygène restant, améliorant le vide.
Remplissage au gaz inerte (alternative au vide)
Si le vide est impossible, remplissez l’ampoule d’un gaz qui ne réagit pas avec le filament :
- Azote : L’air est composé de 78 % d’azote. Pour obtenir de l’azote, faites brûler du phosphore dans un récipient fermé sous l’eau. Le phosphore consomme l’oxygène, et l’azote reste. L’ampoule remplie d’azote fonctionne, mais le filament a une durée de vie plus courte qu’ampoule sous vide.
- Argon : L’argon est un gaz rare présent dans l’air à 0,93 %. Il est très difficile à séparer sans techniques cryogéniques. Si vous avez accès à des minerais de potassium contenant de l’argon piégé, chauffez-les dans un récipient clos et recueillez le gaz. Cette méthode est rarement praticable.
Assemblage final
Montage
- Soufflez l’ampoule en verre avec le col ouvert.
- Fabriquez le culot en laiton avec les électrodes scellées dans le verre isolant.
- Fixez le filament entre les deux électrodes à l’intérieur de l’ampoule. Utilisez une petite quantité de colle de silicate de sodium (verre soluble) si nécessaire pour les filaments de carbone.
- Fixez le culot sur le col de l’ampoule en scellant le verre du culot au verre de l’ampoule. Utilisez un chalumeau pour chauffer les deux pièces de verre simultanément et les fusionner.
- Connectez le tube d’évacuation au col de l’ampoule ou au culot.
Évacuation
- Connectez le tube d’évacuation à la pompe.
- Allumez la pompe et pompez pendant au moins 30 minutes pour les ampoules à filament de carbone.
- Pendant le pompage, chauffez doucement l’ampoule avec une flamme pour dégager les gaz absorbés par le verre et le filament.
- Le filament doit commencer à rougeoyer faiblement quand la pression baisse. C’est le signe que le vide s’établit.
Scellement
- Quand le vide est atteint (filament rougeoyant mais pas brillant), chauffez le tube d’évacuation avec un chalumeau concentré.
- Le verre fond et se referme sur lui-même, scellant l’ampoule hermétiquement.
- Coupez le reste du tube d’évacuation avec un diamant ou un couteau en verre.
Test
- Connectez l’ampoule à une source de courant continu (voir Générer de l’électricité et Fabriquer une batterie).
- Augmentez progressivement la tension. Le filament doit commencer à rougeoyer vers 5 volts, puis briller jaune vers 10 volts, et blanc vers 15-20 volts.
- Ne dépassez pas la tension nominale. Un filament de carbone standard fonctionne entre 10 et 20 volts, selon sa longueur et son diamètre.
Performances attendues
- Ampoule à filament de carbone : rendement lumineux d’environ 3 à 5 lumens par watt. Durée de vie de 100 à 500 heures. Lumière jaune-orangé.
- Ampoule à filament de tungstène sous vide : rendement de 8 à 10 lumens par watt. Durée de vie de 500 à 1000 heures. Lumière blanc-jaune.
- Ampoule à filament de tungstène sous gaz : rendement de 10 à 15 lumens par watt. Durée de vie de 1000 heures et plus. Lumière blanche.
Pour comparaison, une bougie émet environ 12 lumens. Une ampoule à filament de carbone de 20 volts et 0,5 ampère (10 watts) produit environ 30 à 50 lumens, soit l’équivalent de 3 à 4 bougies.
Dépannage
- Le filament ne s’allume pas : Le vide est insuffisant ou le filament est coupé. Vérifiez la continuité électrique.
- Le filament brûle instantanément : L’ampoule contient de l’oxygène. Le vide est défectueux. Refaites l’évacuation.
- L’ampoule noircit rapidement : Le filament s’évapore et se dépose sur le verre. Le filament est trop chaud (tension trop élevée). Réduisez la tension.
- L’ampoule se fêle : Le verre était mal recuit ou le joint entre le verre et l’électrode est défectueux. Refabriquez avec un meilleur recuit.