Qu’est-ce qui cause le rougeoiement d’objets chauffés?

Derek van Pel
Lisibilité
6.97

L’excitation des électrons de matériaux chauffés (comme le filament de l’ampoule électrique) entraîne l’émission de lumière visible.

Pourquoi l’élément chauffant d’une cuisinière rougeoie-t-il lorsqu’il est allumé au maximum? Pourquoi une ancienne ampoule électrique allumée depuis un certain temps devient trop chaude au toucher? Pourquoi certains produits chimiques, que l’on fait brûler, émettent-ils des couleurs brillante?. Mais pourquoi la chaleur et la lumière semblent-elles aller de pair?

La réponse réside dans la plus petite unité de matière, l’atome. Au centre de l’atome se trouve le noyau, qui contient des protons chargés positivement et des neutrons sans charge. Les électrons chargés négativement gravitent sur des couches, qui sont les zones situées autour du noyau. Une couche électronique est aussi parfois appelée un niveau énergétique.

Carbon atom
Un atome de carbone comportant des protons (P) et des neutrons (N) dans son noyau ainsi que des électrons (e) répartis dans les couches électroniques, qui sont représentées comme des cercles concentriques (© 2020 Parlons sciences).

Comment la chaleur peut-elle être transformée en lumière?

Les électrons sont ce qui permet aux atomes de réagir entre eux dans des réactions chimiques. Ils sont aussi responsables de l’émission de lumière par certains composés lorsque ceux-ci sont chauffés.

Chaque électron est situé sur une couche qui est son « niveau de base ». Lorsqu’il est sur cette couche, on dit qu’il est à son état fondamental. L’état fondamental est l’état de plus basse énergie pour cet électron. À la température de la pièce, la plupart des électrons sont à leur état fondamental.

Lors du transfert de chaleur à un atome, celui-ci commence à vibrer plus rapidement. Cette vibration est une forme d’énergie cinétique. Une partie de l’énergie cinétique est transférée aux électrons autour du noyau. Ce transfert les fait « sauter » de leur couche vers une couche supérieure, plus éloignée du noyau. Quand les électrons d’un atome quittent ainsi leur niveau de base, on dit qu’ils sont dans un état excité.

Quand un électron dans son état fondamental acquiert de l’énergie, il devient excité et saute dans une couche supérieure
Quand un électron dans son état fondamental acquiert de l’énergie, il devient excité et saute dans une couche supérieure (© 2020 Parlons sciences). 

Cet état excité est très instable, et l’électron retourne rapidement vers leur couche normale, à l’état fondamental. Lorsque cela se produit, l’électron libère l’énergie qu’il a acquise sous la forme de photons de lumière infrarouge. Ces photons sont invisibles pour l’œil humain.

Lorsqu’un électron dans un état excité perd de l’énergie, il émet des photons de lumière infrarouge et retombe dans son état fondamental
Lorsqu’un électron dans un état excité perd de l’énergie, il émet des photons de lumière infrarouge et retombe dans son état fondamental (© 2020 Parlons sciences).

Comment les ampoules électriques produisent-elles la lumière?

La capacité des électrons à convertir la chaleur en lumière infrarouge permet plusieurs utilités géniales! L’exemple le plus connu est l’ampoule incandescente. À l’intérieur du globe de verre se trouve un petit morceau de métal (le filament) fait de tungstène. Un courant électrique passe dans le filament. Mais son passage ne se fait pas facilement. C’est parce que le filament agit comme une résistance. Une résistance devient chaude quand l’électricité la traverse. Tellement chaude, en fait, qu’elle dissipe assez d’énergie pour faire briller le filament. C’est le même phénomène qui est à l’origine du rougeoiement des éléments chauffants sur une cuisinière électrique lorsqu’ils sont allumés.

Le savais-tu? 

La température du filament de tungstène dans une ampoule électrique incandescente peut s’élever à plus de 2 000 degrés Celsius!

La majorité de l’énergie consommée par les ampoules incandescentes – jusqu’à 95 pour cent – est utilisée pour chauffer le filament, plutôt que pour produire la lumière, ce qui explique leur retrait progressif du marché. C’est un gaspillage d’énergie!

How Modern Light Bulbs Work (2014) de Minute Physics (2 min 57 s). Les sous-titres sont disponible en français.

 

Comment les feux d’artifice produisent-ils la lumière?

Les feux d’artifice fonctionnent selon ce même principe. Ils sont constitués de différents composés contenant des métaux. Lorsqu’ils sont chauffés, ces composés produisent de la lumière de diverses couleurs. Les métaux qui absorbent les énergies les plus élevées émettront de plus courtes longueurs d’onde de lumière (comme la lumière bleue) quand leurs électrons retournent à leur état fondamental. Les métaux qui absorbent les énergies les plus faibles émettront de plus grandes longueurs d'onde de lumière (comme la lumière rouge) quand leurs électrons retournent à leur état fondamental.

Couleurs des feux d’artifice
Les sels métalliques sont utilisés pour créer les nombreuses couleurs des feux d’artifice (Parlons sciences utilisant une image de Orchidpoet via iStockphoto).

Le savais-tu? 

La production des couleurs des feux d’artifice (ou pyrotechnique) est une œuvre d’art, et les artificiers (ou pyrotechniciens) gardent souvent jalousement secrètes leurs recettes de couleurs!

Voilà, tu sais maintenant pourquoi la chaleur et la lumière vont de pair pour créer des choses incroyables. Depuis l’éclairage dans nos maisons, jusqu’à l’illumination de la nuit!

Amorces de discussion

Faire des liens

  • Nomme quelques objets dont tu as observé le rougeoiement lorsqu’ils sont chauffés.
  • As-tu déjà assisté à des feux d’artifice? Comment crois-tu que les différentes couleurs sont produites?
  • As-tu une préférence concernant le type de source lumineuse que tu utilises pour lire ou étudier? Quelles sont les caractéristiques importantes pour toi en ce qui a trait à la qualité de la lumière?

Faire des liens

  • Nomme quelques objets dont tu as observé le rougeoiement lorsqu’ils sont chauffés.
  • As-tu déjà assisté à des feux d’artifice? Comment crois-tu que les différentes couleurs sont produites?
  • As-tu une préférence concernant le type de source lumineuse que tu utilises pour lire ou étudier? Quelles sont les caractéristiques importantes pour toi en ce qui a trait à la qualité de la lumière?

Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement

  • Décris certaines des incidences clés de l’invention de l’ampoule électrique incandescente au début du 19e siècle.
  • Quels sont les éléments à l’origine du développement de différents types d’ampoules électriques?

Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement

  • Décris certaines des incidences clés de l’invention de l’ampoule électrique incandescente au début du 19e siècle.
  • Quels sont les éléments à l’origine du développement de différents types d’ampoules électriques?

Explorer les concepts

  • Qu’est-ce qu’une couche électronique?
  • Au niveau atomique, comment l’énergie thermique est-elle transformée en énergie lumineuse?
  • Comment les feux d’artifice produisent-ils différentes couleurs?
  • Quels sont les différents types d’ampoules électriques décrits dans la vidéo? En quoi sont-ils similaires dans la production de lumière? En quoi sont-ils différents?

Explorer les concepts

  • Qu’est-ce qu’une couche électronique?
  • Au niveau atomique, comment l’énergie thermique est-elle transformée en énergie lumineuse?
  • Comment les feux d’artifice produisent-ils différentes couleurs?
  • Quels sont les différents types d’ampoules électriques décrits dans la vidéo? En quoi sont-ils similaires dans la production de lumière? En quoi sont-ils différents?

Nature de la science et de la technologie

  • En quoi les innovations en science et technologie ont-elles contribué au développement et à la production des feux d’artifice modernes?

Nature de la science et de la technologie

  • En quoi les innovations en science et technologie ont-elles contribué au développement et à la production des feux d’artifice modernes?

Littératie médiatique

  • Quel est le rôle d’un chef électricien dans l’industrie cinématographique? Quelle incidence le développement de la nouvelle technologie d’éclairage a-t-elle eue sur l’industrie cinématographique au début du 20e siècle? 

Littératie médiatique

  • Quel est le rôle d’un chef électricien dans l’industrie cinématographique? Quelle incidence le développement de la nouvelle technologie d’éclairage a-t-elle eue sur l’industrie cinématographique au début du 20e siècle? 

Suggestions pour l'enseignement

  • Cet article et la vidéo incluse peuvent être utilisés pour soutenir l’enseignement et l’apprentissage dans les catégories « Chimie » et « Ingénierie & Technologie » reliées à la structure atomique, au transfert de chaleur, aux métaux et à la lumière visible. Les concepts présentés incluent l’atome, le noyau, les protons, les neutrons, les électrons, les couches, les niveaux énergétiques, l’état fondamental, le transfert de chaleur, l’état excité, les photons de lumière infrarouge, le filament et les longueurs d’onde.
  • Avant la lecture de cet article, les enseignants peuvent demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage « Aperçu du vocabulaire » qui leur permettra de faire appel à leurs connaissances antérieures sur la structure atomique et de découvrir la nouvelle terminologie. Les fiches reproductibles prêtes à utiliser Aperçu du vocabulaire pour cet article sont disponibles dans les formats [Document Google] et [PDF].
  • Durant le visionnement de la vidéo incluse dans cet article, les enseignants peuvent demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage « Ligne d’importance » qui leur permettra de dégager et d’organiser les éléments clés de la vidéo. Les fiches reproductibles prêtes à utiliser Ligne d'importance pour cet article sont disponibles dans les formats [Document Google] et [PDF].
  • Autrement, après la lecture de l’article et le visionnement de la vidéo, les enseignants peuvent demander aux élèves de créer un organisateur graphique pour résumer comment la lumière est produite à partir des ampoules électriques et des technologies d’éclairage présentées dans la vidéo incluse. 

Suggestions pour l'enseignement

  • Cet article et la vidéo incluse peuvent être utilisés pour soutenir l’enseignement et l’apprentissage dans les catégories « Chimie » et « Ingénierie & Technologie » reliées à la structure atomique, au transfert de chaleur, aux métaux et à la lumière visible. Les concepts présentés incluent l’atome, le noyau, les protons, les neutrons, les électrons, les couches, les niveaux énergétiques, l’état fondamental, le transfert de chaleur, l’état excité, les photons de lumière infrarouge, le filament et les longueurs d’onde.
  • Avant la lecture de cet article, les enseignants peuvent demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage « Aperçu du vocabulaire » qui leur permettra de faire appel à leurs connaissances antérieures sur la structure atomique et de découvrir la nouvelle terminologie. Les fiches reproductibles prêtes à utiliser Aperçu du vocabulaire pour cet article sont disponibles dans les formats [Document Google] et [PDF].
  • Durant le visionnement de la vidéo incluse dans cet article, les enseignants peuvent demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage « Ligne d’importance » qui leur permettra de dégager et d’organiser les éléments clés de la vidéo. Les fiches reproductibles prêtes à utiliser Ligne d'importance pour cet article sont disponibles dans les formats [Document Google] et [PDF].
  • Autrement, après la lecture de l’article et le visionnement de la vidéo, les enseignants peuvent demander aux élèves de créer un organisateur graphique pour résumer comment la lumière est produite à partir des ampoules électriques et des technologies d’éclairage présentées dans la vidéo incluse. 

En savoir plus

Feux d'artifice : comment obtient-on des couleurs ? (2019)

Cette page de Futura-sciences explique comment on produit les différentes couleurs des feux d’artifice.

Science ou magie - Saison - épisode 14 - Feux d’artifice 

Cette vidéo (13 min) présente avec humour la science derrière les feux d’artifice grâce à quelques démonstrations. 

Comment produit-on de la lumière? (2016) 

Cet article de Couleur science présente les différents modes de production de la lumière.

Qu'est-ce que la lumière? 

Cet article de Astro-Canada explique ce qu’est l’énergie lumineuse avec vidéo intégré de Hubert Reeves.

Références

Chem4Kids. (n.d.). Always in motion.

Chem4Kids (n.d.). Atoms are building blocks.

Goddard Space Flight Center, National Aeronautics and Space Administration. (n.d.). Background: Atoms and light energy.

Harris, T. (2002). How light bulbs work. HowStuffWorks.

How It Works Team. (2012, juin 9). How do atoms emit light?

Woodford, C. (2019, mai 23). How do heating elements work? Explain That Stuff.