Fiche de cours

Loi de Wien : couleur des corps chauffés

Lycée > Premiere > Physique Chimie > Loi de Wien : couleur des corps chauffés

Fiche de cours
Quiz et exercices
Vidéos et podcasts

Objectif(s)

Comprendre le modèle du corps noir. Expliquer ce qu’est le rayonnement thermique d’un corps chauffé. Énoncer la loi de Wien. Aborder la notion de température de couleur.

Les sources primaires de lumière émettent de la lumière par elles-mêmes.
Les sources secondaires se contentent de renvoyer, selon leur couleur, une partie de la lumière reçue.

Cependant, la différence entre ces deux types de source est-elle si nette ?

1. Le rayonnement du corps noir : notion de rayonnement thermique

Un corps noir est un objet idéalisé qui absorbe toutes les radiations lumineuses envoyées sur lui. Ainsi, on admet qu’il n’émet que des rayonnements qui lui sont propres. On le considère comme une source primaire de lumière. A température ambiante, le corps noir n’émet pas de radiations visibles, c’est bien pour cela qu’il est nommé corps noir. Par contre, il émet un rayonnement infrarouge. C’est son rayonnement thermique.

En augmentant la température du corps noir, l’intensité moyenne du rayonnement augmente. En parallèle, les valeurs des longueurs d’onde les plus émises tendent à diminuer, en se rapprochant progressivement du visible. Vers une température d’environ 1000°K, une lumière rouge est émise par le corps. Dans la pratique, il est courant d’associer ce modèle du corps noir aux objets suivant ce comportement. Ainsi, ce rayonnement est observable si on chauffe du métal comme le fer, ou avec la lave d’un volcan.

Si le chauffage est augmenté, la couleur rouge émise va s’accentuer, puis va tendre vers l’orange, le jaune, le blanc. Dans le cas de températures importantes, au-delà de 6000-7000 °K, une teinte bleue est observée. Certaines étoiles très chaudes émettent ce type de radiations lumineuses :

2. Enoncé de la loi de Wien

Pour une température T donnée, un corps émet un rayonnement thermique de spectre continu, tel que décrit par les graphes ci-dessous :

Pour chaque courbe, l’intensité lumineuse passera par un maximum pour une longueur d’onde qui sera notée

. C’est la longueur d’onde la plus rayonnée. Elle est reliée à la température du corps rayonnant par une relation, nommée loi du déplacement de Wien, ou plus simplement loi de Wien :

La longueur d’onde

est exprimée en mètre. La température T est en Kelvin. La constante

est quant à elle en

(mètre Kelvin). Une température en degré Kelvin est obtenue en ajoutant 273,15 à la température donnée en degré Celsius. Par exemple,

3. Applications

Même si le modèle du corps noir est un modèle idéalisé (aucun objet ne se comporte parfaitement comme un corps noir), il présente certaines applications.

a. Imagerie thermique

Aux températures « habituelles » (-10°C ; 50°C), les corps émettent un rayonnement thermique invisible car émis dans l’infrarouge. Ce rayonnement est décrit par le modèle du corps noir et par la loi de Wien. Avec des capteurs sensibles aux infrarouges, capter le rayonnement d’un corps permet ainsi de remonter à sa température.

Pour les êtres vivants homéothermes (qui produisent de la chaleur), comme les humains, le rayonnement infrarouge qu’ils émettront sera un peu différent de celui son environnement, car plus chaud. Cela ouvre la voie à l’imagerie thermique, à vocation scientifique, médicale, ou militaire. Ci après une expérience de vision infrarouge :

b. Température d'objets chauds

Pour les corps chauds, lorsque le rayonnement thermique est émis dans le domaine du visible, il faut absolument faire la distinction entre la lumière propre (rayonnement thermique) et lumière réémise (en tant que source secondaire de lumière).
Une voiture rouge n’est pas plus froide qu’une voiture bleue !

Par contre, certains corps suivront correctement le modèle du corps noir, comme les métaux : sidérurgie (métal en fusion), lampes à incandescences, etc. En astrophysique, le modèle s’applique bien aux étoiles. Connaître le spectre d’une étoile permet de trouver sa température de surface, par loi de Wien.

c. Température de couleur

Par définition, la température de couleur d’un corps émetteur de lumière est la température qu’aurait un corps noir pour émettre un spectre similaire, ou au moins la même couleur. La température de couleur établit ainsi une correspondance entre une couleur et une température :

La température de couleur est étendue à toute source de lumière, que le corps émette de la lumière par rayonnement thermique ou par d'autres phénomènes physiques.
Par exemple, une diode électroluminescente peut émettre du bleu sans chaleur et avoir une température de couleur élevée, puisque le bleu se situe après 7000 °K.

La température de couleur d’une source de lumière artificielle blanche permet d’apporter une indication sur l’aspect de la lumière générée. Un luminaire à faible température de couleur tendra vers des nuances rouges, alors qu’une source à haute température de couleur tendra vers le bleu. La lumière du jour, avec le Soleil au zénith, est quant à elle aux alentours de 6000 °K. Une source lumineuse artificielle présentant une telle valeur sera susceptible de bien reproduire la lumière du jour.

L'essentiel

Tout corps émet un rayonnement thermique qui lui est propre, en fonction uniquement de sa température T. Ce rayonnement est décrit par le modèle du corps noir. Le spectre de ce rayonnement est à spectre continu, présentant un maximum pour une longueur d’onde

. Cette longueur d’onde est donnée par la loi de Wien :

Quelques applications du rayonnement du corps noir et de la loi de Wien sont l’imagerie thermique, la détermination de la température de surface des étoiles ou la température d’objets chauds. Cela a aussi permis d’introduire la notion de température de couleur, employée par exemple pour qualifier un éclairage artificiel.

Aller plus loin

• Max Planck (1958-1947) énonça en 1900 la loi sur le rayonnement du corps noir, qui porte aujourd’hui le nom de loi de Planck. Pour faire cela, il dû introduire la notion quanta de lumière, c'est-à-dire de photons. Cela jeta les bases de la mécanique quantique.

• Tout corps émet un rayonnement thermique, y compris l’Univers ! Un rayonnement radio quasiment isotrope (identique quelle que soit la direction d’observation) a ainsi été découvert, lié au rayonnement du corps noir de l’Univers, à une température de 2,726 °K. Ce rayonnement est appelé rayonnement fossile, car il serait un reliquat de l’Univers chaud et dense tel qu’il était peu de temps après le Big Bang.

Évalue ce cours !

Note 3.7 / 5. Nombre de vote(s) : 115

Des quiz et exercices pour mieux assimiler sa leçon

La plateforme de soutien scolaire en ligne myMaxicours propose des quiz et exercices en accompagnement de chaque fiche de cours. Les exercices permettent de vérifier si la leçon est bien comprise ou s’il reste encore des notions à revoir.

S’abonner

Des exercices variés pour ne pas s’ennuyer

Les exercices se déclinent sous toutes leurs formes sur myMaxicours ! Selon la matière et la classe étudiées, retrouvez des dictées, des mots à relier ou encore des phrases à compléter, mais aussi des textes à trous et bien d’autres formats !

Dans les classes de primaire, l’accent est mis sur des exercices illustrés très ludiques pour motiver les plus jeunes.

S’abonner

Des quiz pour une évaluation en direct

Les quiz et exercices permettent d’avoir un retour immédiat sur la bonne compréhension du cours. Une fois toutes les réponses communiquées, le résultat s’affiche à l’écran et permet à l’élève de se situer immédiatement.

myMaxicours offre des solutions efficaces de révision grâce aux fiches de cours et aux exercices associés. L’élève se rassure pour le prochain examen en testant ses connaissances au préalable.

S’abonner

Des vidéos et des podcasts pour apprendre différemment

Certains élèves ont une mémoire visuelle quand d’autres ont plutôt une mémoire auditive. myMaxicours s’adapte à tous les enfants et adolescents pour leur proposer un apprentissage serein et efficace.

Découvrez de nombreuses vidéos et podcasts en complément des fiches de cours et des exercices pour une année scolaire au top !

S’abonner

Des podcasts pour les révisions

La plateforme de soutien scolaire en ligne myMaxicours propose des podcasts de révision pour toutes les classes à examen : troisième, première et terminale.

Les ados peuvent écouter les différents cours afin de mieux les mémoriser en préparation de leurs examens. Des fiches de cours de différentes matières sont disponibles en podcasts ainsi qu’une préparation au grand oral avec de nombreux conseils pratiques.

S’abonner

Des vidéos de cours pour comprendre en image

Des vidéos de cours illustrent les notions principales à retenir et complètent les fiches de cours. De quoi réviser sa prochaine évaluation ou son prochain examen en toute confiance !

S’abonner

Profs en ligne

Découvrez le soutien scolaire en ligne avec myMaxicours

Plongez dans l'univers de myMaxicours et découvrez une approche innovante du soutien scolaire en ligne, conçue pour captiver et éduquer les élèves de CP à la terminale. Notre plateforme se distingue par une riche sélection de contenus interactifs et ludiques, élaborés pour stimuler la concentration et la motivation à travers des parcours d'apprentissage adaptés à chaque tranche d'âge. Chez myMaxicours, nous croyons en une éducation où chaque élève trouve sa place, progresse à son rythme et développe sa confiance en soi dans un environnement bienveillant.

Profitez d'un accès direct à nos Profs en ligne pour une assistance personnalisée, ou explorez nos exercices et corrigés pour renforcer vos connaissances. Notre assistance scolaire en ligne est conçue pour vous accompagner à chaque étape de votre parcours éducatif, tandis que nos vidéos et fiches de cours offrent des explications claires et concises sur une multitude de sujets. Avec myMaxicours, avancez sereinement sur le chemin de la réussite scolaire, armé des meilleurs outils et du soutien de professionnels dédiés à votre épanouissement académique.

EXERCE-TOI EN T'ABONNANT