Chapitre 10 – Ondes électromagnétiques | 1ère Bac Pro ICCER (Grpt 1) | Physique – Ondes | ⏱ 35 min
Dernière mise à jour : 7 mai 2026, format manuel scolaire
💡 Notions centrales : leçon §III (spectre EM) et §IV (sources). Visible : 400-700 nm. IR : 0,75-15 μm. Une lampe émet de la lumière + de la chaleur (IR) selon sa technologie.
Théo, électricien-thermicien chez « EnergyPlus » à Nantes, propose à M. Dubois de remplacer toutes ses ampoules à incandescence par des LED dans le cadre d'un audit énergie global. M. Dubois a 20 ampoules de 60 W actuellement. Théo veut convaincre son client en chiffrant clairement les économies, mais aussi expliquer la physique sous-jacente : pourquoi une LED 8 W produit autant de lumière qu'une ampoule classique 60 W.
| Technologie | Puissance électrique | Flux lumineux | % visible | % IR/chaleur | Durée de vie |
|---|---|---|---|---|---|
| Incandescence (filament) | 60 W | 700 lm | 5 % | 95 % | 1 000 h |
| Halogène | 42 W | 700 lm | 10 % | 90 % | 2 000 h |
| LED | 8 W | 700 lm | 90 % | 10 % | 25 000 h |
Le flux lumineux (en lumens, lm) mesure la quantité de lumière visible perçue par l'œil. À flux égal, l'éclairage est équivalent en luminosité.
D'après le Doc 1, calculer la puissance utile (visible) émise par chaque type d'ampoule. Conclure sur la part de chaleur perdue.
Pour la même luminosité, la LED produit 2,4 fois plus de lumière utile que l'incandescence, alors qu'elle consomme 7,5 fois moins.
Calculer la fréquence f de la lumière jaune-vert (λ = 555 nm) émise au maximum de sensibilité de l'œil.
λ = 555 nm = 555 × 10⁻⁹ m = 5,55 × 10⁻⁷ m.
f = c / λ = (3 × 10⁸) / (5,55 × 10⁻⁷) ≈ 5,4 × 10¹⁴ Hz = 540 THz.
La lumière visible est environ 10 000 fois plus haute en fréquence que l'IR thermique des lampes (≈ 50 THz).
Pourquoi une ampoule à filament en tungstène (incandescente) émet-elle peu de visible et beaucoup d'IR ?
Indice : utiliser la loi de Wien (Ch10 act3 bonus) : λmax = 2 898 / T (μm si T en K). Filament tungstène incandescent : T ≈ 2 800 K.
λmax = 2 898 / 2 800 ≈ 1,03 μm = 1 030 nm.
Cette longueur d'onde est dans l'IR proche (au-delà de 700 nm visible). Le filament rayonne donc majoritairement de l'IR (chaleur), seule une « queue » du spectre tombe dans le visible (rouge-orange surtout).
Pour produire majoritairement du visible, il faudrait un filament à 5 800 K (température du Soleil), ce qui est impossible : le tungstène fond à 3 695 K.
Conclusion : l'incandescence est intrinsèquement inefficace. C'est pour cela qu'elle est interdite à la vente en Europe depuis 2012.
Une LED ne fonctionne pas par chauffage, mais par électroluminescence : un courant traverse une jonction semi-conductrice qui émet directement à une longueur d'onde précise. Sans chauffer le composant, la LED peut atteindre 90 % de rendement lumineux.
Combien d'énergie thermique émet une LED 8 W vs une incandescence 60 W (à flux égal) ?
Chaleur incandescence : 60 × 0,95 = 57 W.
Chaleur LED : 8 × 0,10 = 0,8 W.
Différence : 56 W de chaleur en moins par ampoule. Sur 20 ampoules → 1 120 W de chaleur en moins, c'est l'équivalent d'un radiateur électrique de 1 kW qui ne fonctionne plus l'été (climatisation soulagée). En hiver, c'est de la chaleur perdue qu'il faut compenser autrement, mais via une PAC plus efficace !
M. Dubois utilise ses ampoules 5 h/jour en moyenne, soit 1 825 h/an. Calculer la consommation annuelle de ses 20 ampoules :
Calculer l'économie d'énergie annuelle.
(a) Incandescence : Ea = 20 × 60 × 1 825 / 1 000 = 2 190 kWh/an.
(b) LED : Eb = 20 × 8 × 1 825 / 1 000 = 292 kWh/an.
Économie : 2 190 − 292 = 1 898 kWh/an (≈ 87 % d'économie).
Au tarif EDF de 0,2516 €/kWh, calculer l'économie financière annuelle. En sachant qu'une ampoule LED de qualité coûte 8 € et qu'il en faut 20, calculer le retour sur investissement.
Économie financière : 1 898 × 0,2516 ≈ 478 €/an.
Investissement : 20 × 8 = 160 € pour 20 ampoules LED.
Retour sur investissement : 160 / 478 ≈ 0,33 an = 4 mois.
Au-delà des 4 premiers mois, M. Dubois économise 478 €/an pendant 13 ans (durée de vie LED ≈ 25 000 h ≈ 13 ans à raison de 5 h/jour).
Calculer la réduction d'émissions CO₂ grâce au passage en LED, sachant que le mix électrique français émet 60 g CO₂/kWh.
Économies CO₂ annuelles : 1 898 × 60 = 113 880 g ≈ 114 kg CO₂/an.
Sur 13 ans (durée de vie LED) : ≈ 1,48 tonne CO₂ évitée juste pour M. Dubois.
À l'échelle d'un pays, le passage en LED a réduit la consommation française d'éclairage de 30 % en 10 ans (2014-2024). Effet majeur sur la transition énergétique.
Rédiger en 5 lignes la fiche conseil que Théo remet à M. Dubois pour le convaincre de passer en LED :
EnergyPlus — Conseil éclairage LED · M. Dubois (Nantes) — 7 mai 2026
• Pourquoi la LED est si efficace : elle convertit 90 % de l'électricité en lumière visible (vs 5 % pour l'incandescent qui chauffe à 95 %).
• 20 ampoules à remplacer : investissement 160 € (8 € × 20). Économie immédiate sur facture.
• Économies : 1 898 kWh/an, soit 478 €/an. Retour sur investissement : 4 mois.
• Sur 13 ans (durée de vie LED) : ≈ 6 200 € économisés et 1,5 t CO₂ évitées.
• Bénéfices supplémentaires : moins de chaleur en été (climatisation soulagée), moins de remplacements (LED 25 000 h vs 1 000 h pour incandescence). Recyclage des anciennes ampoules en magasin.
Une LED blanche est en réalité une LED bleue (450 nm) recouverte d'un phosphore qui absorbe une partie du bleu et réémet en jaune (≈ 580 nm). Le mélange bleu + jaune donne une lumière perçue comme blanche. Calculer le rapport des fréquences entre la LED bleue et la lumière jaune émise.
fbleu = c / λ = (3 × 10⁸) / (4,5 × 10⁻⁷) ≈ 6,67 × 10¹⁴ Hz.
fjaune = (3 × 10⁸) / (5,8 × 10⁻⁷) ≈ 5,17 × 10¹⁴ Hz.
Rapport : 6,67 / 5,17 ≈ 1,29. Le bleu a une fréquence 30 % plus élevée que le jaune (et donc une énergie plus élevée pour chaque photon).
Lors de la conversion bleu → jaune par le phosphore, il y a perte d'énergie (Stokes shift) qui se dissipe en chaleur. C'est ce qui limite le rendement maximum d'une LED blanche à environ 90 % (jamais 100 %).
📚 Cette activité s'appuie sur §III (Spectre EM) et §IV (Sources et applications) de la leçon Ch10.