ionisation et fluorescence

Dans l'article précédent sur les DEL j'expliquais le fonctionnement des DELs par la quantisation des niveaux d'énergies dans les couches électroniques des atomes. Dans cet article je vais expliquer 2 autres phénomènes utilisés en électronique qui sont aussi des phénomènes quantiques. L'ionisation et la fluorescence.

enseigne au néon

Vous connaissez surement ces enseignes lumineuses qu'on appelle communément néon. On peut aussi se procurer sur le marché de petites ampoules au néon servant comme indicateur bien que celles-ci ont largement été remplacées par les DEL. Enseigne ou ampoule le principe de fonctionnement est le même, l'ionisation d'un gaz. Dans une tube ou une ampoule sous vide on introduit un gaz sous faible pression. Dans ce tube il y a 2 électrodes isolées l'une de l'autre. Si on applique un voltage suffisant à ces électrodes il y a production de lumière. Le phénomène est le suivant, le champ électrique arrache les électrons de l'atome. On dit d'un gaz dont les atomes ont perdu 1 ou plusieurs électrons qu'il est ionisé¹. Mais les lois de la physique font en sorte que la matière cherche à se stabiliser au plus bas niveau d'énergie. Les atomes ionisés possèdent un charge positive qui attire les électrons. Ceux-ci retombent donc dans leur position initiale en émettant un photon. l'énergie de ce photon, donc sa longueur d'onde, dépend de la différence d'énergie entre l'électron libre et l'électron capturé par l'atome. Un gaz ionisé n'émet pas une seule fréquence lumineuse mais plusieurs on appelle ces différentes fréquences lumineuse le spectre. Chaque élément chimique possède son propre spectre lumineux qui l'identifie de façon unique. C'est en faisant cette analyse spectrale que les astronomes parviennent à identifier les éléments chimiques qui composent les étoiles et l'atmosphère des autres planètes. Le néon semble orange ou rouge à l’œil parce que c'est la longueur d'onde dominante de son spectre. Si on remplace le néon par un autre gaz la couleur sera différente. Une enseigne au néon qui n'est pas rouge n'est pas en réalité une enseigne au néon mais contient plutôt un autre gaz et l'intérieur du tube est recouvert d'une substance chimique fluorescente. Les petites ampoules néon émettent une lumière orange mais si on augmente le voltage elle deviennent rouges. Si vous alimenter une ampoule néon en courant direct la luminosité sera centrée autour d'une seule des 2 électrodes, la plus positive car les électrons émis par l'autre électrode doivent avoir suffisamment d'énergie cinétique pour ionizer le gaz. Les électrons gagnent en vitesse en se déplaçant vers l'électrode positive. En courant alternatif la luminosité est centrée autour des 2 électrodes car les électrons se déplacent alternativement dans les 2 directions.

« Neon light ». Sous licence CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

indicateur neon A1A

Fluorescence

La première calculatrice que j'ai acheté dans les années 70 était de marque Rockwell et avait un affichage VFD Vacuum Fluorescent Display. A l'intérieur d'un tube de verre dans lequel on a fait le vide il y a plusieurs électrodes. Une cathode qui émet des électrons et des anodes recouvertes d'une substance chimique fluorescente. Entre la cathode et les anodes il y a aussi une grille. Cet agencement est semblable au tube électronique appelé triode sauf qu'il n'est pas conçu pour amplifier un signal mais pour émettre de la lumière. Donc un voltage positif sur une anode attire les électrons générés par la cathode ces électrons accélérés viennent frapper la substance chimique qui est sur l'anode. L'énergie de ces électrons ce communique aux électrons de la substance chimique qui sautent à un niveau d'énergie supérieur. Mais comme dans le cas d'un gaz ionisé les électrons retombent à leur niveau d'énergie initiale en émettant un photon.

Dans un VFD il y a une anode par segment d'affichage. Par exemple s'il s'agit d'une calculatrice on a 8 segments par chiffre en incluant le point pour les décimales. Chaque anode doit-être contrôlée individuellement. En fait l'affichage est multiplexée. C'est à dire qu'il y a une cathode par chiffre et seulement 8 électrodes partagées par tous les chiffres. Un seul chiffre est allumé à la fois. La persistance rétinienne nous fait croire qu'ils sont tous allumés simultanément. La grille elle sert a contrôler l'intensité de l'affichage. Si on applique un voltage négatif sur la grille il y aura moins d'électrons qui passeront de la cathode aux anodes.

Tube fluorescent

Qu'il s'agisse de fluo-compact ou de tube fluorescent le principe est le même et combine 2 principes l'ionisation d'un gaz et la fluorescence/phosphorescence².

« Leuchtstofflampen-chtaube050409 » par Christian Taube. Sous licence CC BY-SA 2.0 de via Wikimedia Commons.

« 02 Spiral CFL Bulb 2010-03-08 (black back) » par Sun Ladder — Travail personnel. Sous licence CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

Dans le tube il y a une faible pression de vapeur de mercure. Le champ électrique ionise le gaz mercure. Le gaz ionisé a un spectre qui émet principalement dans le violet et l'ultraviolet. l'intérieur du tube, comme pour les enseignes au néon de couleur variées, est recouvert d'une substance chimique fluorescente. Cette substance capte les photons ultraviolet et réémet dans le visible. Le spectre lumineux émis dépend de(s) substances utilisé(es). En passant les DEL blanches sont en fait des DEL bleues recouverte elle aussi d'une substance fluorescence. Lorsqu'on achète des tubes fluorescents ou des fluocompactes l'embalage spécifie le spectre d'émission par une température, 2700°, 3000°, etc. Cette température correspond à un autre concept de la mécanique quantique appelé émission du corps noir. Une basse température correspond à un éclaire plus jaune (doux) et une haute température à un éclairage plus bleu (dur). Un éclairage daylight correspond à un spectre d'émission qui se rapproche de celui-du soleil.

notes

1. Lorsqu'un gaz contient suffisamment d'atomes ionisés pour devenir un conducteur électrique on parle alors de plasma. C'est ce qui se produit lors d'un orage électrique.
2. Pour comprendre la différence entre fluorescence et phosphorescence voir l'article wikipédia.