Éclairement

L’éclairement, mesuré en lux, décrit la quantité de lumière qui illumine une surface donnée. Cette mesure est à distinguer de la mesure de luminance qui mesure la quantité de lumière émise ou réfléchie par une surface dans une direction spécifique.

Observer expérimentalement l’éclairement

Le capteur de luminosité placé en façade du smartphone, à côté de la caméra frontale, est exploité par FizziQ comme un luxmètre et permet de vérifier expérimentalement la décroissance de l’éclairement avec la distance.

Étapes :

• Repérer le capteur de luminosité en haut de l’écran du smartphone, puis ouvrir la mesure d’éclairement dans FizziQ.
• Faire l’obscurité dans la salle et relever l’éclairement résiduel : c’est le zéro à soustraire de toutes les mesures suivantes.
• Placer une lampe ponctuelle en face du capteur, à une distance d mesurée à la règle, l’écran du smartphone bien perpendiculaire à la direction de la lampe.
• Relever l’éclairement pour une dizaine de distances entre 10 cm et 1 m, en gardant la lampe et le capteur alignés.
• Tracer E en fonction de 1/d² : les points doivent s’aligner sur une droite passant par l’origine. Un tracé de E en fonction de d, lui, ne prouve rien.
• Recommencer en inclinant le smartphone : l’éclairement chute comme le cosinus de l’angle d’incidence, ce qui explique la faiblesse de l’éclairement solaire en hiver.

Activités scientifiques sur ce thème

De nombreuses expériences disponibles dans l’application FizziQ et réalisables avec un smartphone permettent de mieux comprendre les différentes caractéristiques de la lumière et notamment les notions d’éclairement et de luminance.

• Éclairement et distance à la source, pour établir la loi en 1/d²
• Sécurité et visibilité, diffusion et rétroréflexion des matériaux
• Mesure de la constante solaire au pyrhéliomètre

En prolongement, la Fondation La main à la pâte propose un défi sur l’albédo et le réchauffement climatique réalisable avec un luxmètre.

En savoir plus

Dans l’application FizziQ, on utilise deux mesures principales pour la lumière : la luminance et l’éclairement. La différence entre ces deux mesures réside dans ce qu’ils mesurent et comment ils sont perçus dans le contexte de la lumière et de la vision.

• Éclairement :- Définition : L’éclairement est une mesure de la quantité de lumière qui arrive sur une surface. Il quantifie combien de lumière (flux lumineux) est reçue par unité de surface.

• Unité : Mesuré en lux (lx), où un lux équivaut à un lumen par mètre carré.

• Contexte d’Utilisation : L’éclairement est utilisé pour déterminer l’illumination d’une surface, comme combien de lumière illumine un bureau ou une rue.

• Luminance :- Définition : La luminance est une mesure de la quantité de lumière émise ou réfléchie par une surface dans une direction spécifique. Elle est liée à la luminosité perçue d’une source ou d’une surface.

• Unité : Mesurée en candelas par mètre carré (cd/m²).

• Contexte d’Utilisation : La luminance est importante dans la conception d’écrans, de panneaux publicitaires, et pour évaluer la visibilité et le confort visuel.

L’article Luminance ou éclairement ? revient en détail sur cette distinction.

Ne pas confondre éclairement et intensité lumineuse

C’est la confusion la plus fréquente. L’intensité lumineuse I, en candela (cd), caractérise la source : c’est le flux lumineux qu’elle émet par unité d’angle solide. L’éclairement E, en lux (lx), caractérise la surface éclairée : c’est le flux reçu par unité d’aire, soit un lumen par mètre carré. Une même lampe a toujours la même intensité en candela, mais l’éclairement qu’elle produit change dès qu’on l’éloigne ou qu’on incline la surface. Autrement dit, la candela décrit ce qui part, le lux décrit ce qui arrive. La grandeur commune aux deux est le lumen (lm), unité de flux lumineux, celle qui figure aujourd’hui sur les emballages d’ampoules à la place des watts.

La décroissance en 1/d², comme pour le son

Une source ponctuelle émet son flux dans toutes les directions. À la distance d, ce flux se répartit sur une sphère d’aire 4πd². Comme l’aire croît comme d², le flux reçu par unité de surface décroît comme 1/d². Doubler la distance divise l’éclairement par quatre, et non par deux. C’est exactement le même raisonnement géométrique que pour l’intensité sonore d’une source ponctuelle, et il ne dépend d’aucune propriété particulière de la lumière : seule compte la conservation du flux sur une sphère qui grandit. La loi suppose une source petite devant la distance ; à 10 cm d’un tube fluorescent d’un mètre, elle ne s’applique pas.

Il faut y ajouter l’effet de l’inclinaison : si la surface reçoit la lumière sous un angle θ par rapport à sa normale, l’éclairement est multiplié par cos θ. C’est cette dépendance qui explique pourquoi le Soleil chauffe moins en hiver et aux hautes latitudes, à distance pourtant quasi identique.

Ordres de grandeur

Nuit de pleine lune : environ 0,25 lx. Rue éclairée la nuit : 10 à 20 lx. Salle de classe correctement éclairée : 300 à 500 lx, valeur recommandée pour le travail sur table. Bureau très éclairé : 750 lx. Ciel couvert en journée : environ 10 000 lx. Plein soleil d’été : environ 100 000 lx. L’œil humain fonctionne donc sur une plage de plus de six ordres de grandeur, ce qui explique qu’une pièce paraisse « bien éclairée » alors qu’elle reçoit mille fois moins de lumière que l’extérieur.

Formule

L’éclairement est le flux lumineux reçu par unité de surface :

E = Φ/S

où :

• E : éclairement (lux, lx)
• Φ : flux lumineux reçu par la surface (lumen, lm)
• S : aire de la surface éclairée (m²)

Pour une source ponctuelle d’intensité lumineuse I, l’éclairement d’une surface perpendiculaire aux rayons décroît comme le carré de la distance :

E = I/d²

où :

• I : intensité lumineuse de la source (candela, cd)
• d : distance entre la source et la surface (m)

Si la surface est inclinée d’un angle θ par rapport à la direction des rayons :

E = (I·cos θ)/d²

où :

• θ : angle entre la normale à la surface et la direction de la source (rad ou °)

En comparant deux positions d’une même source, l’intensité s’élimine :

E₁·d₁² = E₂·d₂²

Exemples d’application

• Une lampe produit 400 lx à 50 cm. À 1 m, elle ne produit plus que 100 lx, puisque l’éclairement est divisé par 4 quand la distance double.

• Une ampoule LED marquée 800 lm éclairant uniformément une pièce de 16 m² fournit un éclairement moyen de l’ordre de 50 lx, très insuffisant pour lire : il faut une lampe de bureau d’appoint.

• La constante solaire vaut environ 1 361 W/m² hors atmosphère, ce qui correspond à un éclairement d’environ 130 000 lx ; au sol, par temps clair, il reste environ 100 000 lx.

• Le réglage automatique de la luminosité d’un smartphone utilise ce même capteur d’éclairement : l’écran s’assombrit dans une pièce sombre et s’éclaircit au soleil.

• Un panneau de signalisation rétroréfléchissant renvoie la lumière des phares vers le conducteur ; l’éclairement mesuré face au panneau est bien supérieur à celui d’un panneau simplement peint en blanc.

• Sur un balcon orienté au nord, l’éclairement plafonne à quelques milliers de lux même en plein été : la lumière n’arrive qu’en diffusion par le ciel, jamais en incidence directe.

FAQ

Q : Peut-on se fier aux valeurs en lux affichées par un smartphone ? R : Pour des comparaisons relatives, oui : mesurer un rapport, une décroissance, un doublement fonctionne très bien. Pour une valeur absolue, non. Le capteur n’est pas étalonné, sa réponse spectrale diffère de celle de l’œil humain, et deux modèles de téléphone donneront des nombres différents pour la même scène. Toutes les activités proposées reposent donc sur des rapports, pas sur des valeurs brutes.

Q : Quelle différence entre lux, lumen et candela ? R : Le lumen mesure le flux total émis ou reçu. La candela mesure le flux émis par unité d’angle solide, c’est une propriété de la source. Le lux mesure le flux reçu par mètre carré, c’est une propriété de la surface éclairée. Un lux vaut un lumen par mètre carré.

Q : Pourquoi l’éclairement décroît-il en 1/d² et non en 1/d ? R : Parce que le flux émis se répartit sur une sphère dont l’aire vaut 4πd². C’est l’aire, proportionnelle à d², qui grandit, donc la part reçue par mètre carré diminue d’autant. Le même argument s’applique à l’intensité sonore d’une source ponctuelle.

Q : Pourquoi mes points ne s’alignent-ils pas sur la droite E = k/d² ? R : Trois causes fréquentes : la lumière ambiante n’a pas été soustraite, le capteur n’est pas exactement face à la lampe, ou la lampe est trop étendue pour être considérée comme ponctuelle aux distances utilisées. Refaire la mesure dans le noir, en repérant précisément la position du capteur.

Q : Un éclairement de 500 lx est-il fort ou faible ? R : C’est la valeur recommandée pour une salle de classe, donc confortable pour lire et écrire. Elle reste pourtant deux cents fois inférieure à l’éclairement en plein soleil. L’œil s’adapte si bien que ces écarts énormes passent inaperçus.

Concepts liés

Luminance - Luxmètre - Capteur de lumière - Flux lumineux - Intensité lumineuse - Lux - Albédo - Constante solaire - Photométrie - Diffusion de la lumière - Intensité sonore