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Savoirs Savoir-faire

Les alternateurs électriques exploitent le phénomène d'induction électromagnétique découvert par Faraday puis théorisé par Maxwell au XIXe siècle.

Ils réalisent une conversion d'énergie mécanique en énergie électrique avec un rendement potentiellement très proche de 1.

Reconnaître les éléments principaux d'un alternateur (source de champ magnétique et fil conducteur mobile) dans un schéma fourni.

Analyser les propriétés d'un alternateur modèle étudié expérimentalement en classe. Définir le rendement d'un alternateur et citer un phénomène susceptible de l'influencer.

Au début du XXe siècle, la physique a connu une révolution conceptuelle à travers la vision quantique qui introduit un comportement probabiliste de la nature. Le caractère discret des spectres de raies d'émission des atomes s'explique de cette façon. Interpréter et exploiter un spectre d'émission atomique.

L'exploitation technologique des matériaux semi-conducteurs, en particulier du silicium, en est également une conséquence.

Ces matériaux sont utilisés en électronique et sont constitutifs des capteurs photovoltaïques. Ceux-ci absorbent l'énergie radiative et la convertissent en énergie électrique.

Comparer le spectre d'absorption d'un matériau semi-conducteur et le spectre solaire pour décider si ce matériau est susceptible d'être utilisé pour fabriquer un capteur photovoltaïque.

Tracer la caractéristique i(u) d'une cellule photovoltaïque et exploiter cette représentation pour déterminer la résistance d'utilisation maximisant la puissance électrique délivrée.

Lien vers le programme complet

Dans ce chapitre nous allons voir deux inventions qui permettent la production d'énergie électrique:

  • l'alternateur
  • les cellules photovoltaïques

Voici une vidéo d'excellente qualité produite par la BBC qui retrace l"«âge des inventions» de l'électricité durant le XIXe siècle et diffusée sur arte.tv.

L'alternateur

L'alternateur permet la conversion d'énergie mécanique en énergie électrique.

Alternateur d'une voiture

Principe de l'alternateur

L'alternateur utilise le phénomène d'induction électromagnétique découvert par Faraday au XIXe siècle.

Un fil électrique fixe(le stator) soumis à un champ magnétique tournant (le rotor) produit un mouvement alternatif des électrons au sein du stator: on créée ainsi un courant alternatif.

La bobine

On utilise souvent une bobine pour produire le courant électrique. Une bobine est enroulement de fil électrique qui lorsqu'elle est parcourue un courant produit un champ magnétique.

Rendement d'un alternateur

Le rendement η\eta de l'alternateur est le quotient de l'énergie électrique obtenue par de l'énergie mécanique fournie.

η=PeˊlectriquePmeˊcanique\eta = \frac{P_{électrique}}{P_{mécanique}}

Les alternateurs réalisent une conversion d'énergie mécanique en énergie électrique avec un rendement potentiellement très proche de 1.

Les cellules photovoltaïques

Les cellules photovoltaïques sont aujourd'hui utilisées pour convertir l'énergie radiative solaire en énergie électrique. C'est une technologie autour de laquelle la recherche est acharnée compte tenu des impacts économiques et environnementaux envisageables.

Ce type de cellules utilise des matériaux bien particuliers utilisés en électronique: les semi-conducteurs comme le silicium.

Qu'est-ce qu'un semi-conducteur?

Vous avez déjà vu que les atomes présentent des spectres discrets qui ont été expliqués au début du XXe siècle par la description quantique de la matière à l'échelle de l'infiniment petit.

Les spectres des solides présentent quant à eux des bandes d'énergie.

Un matériau semi-conducteur est un matériau dont les bandes de conduction et de valence sont disjointes, mais proches.

Rendement de la conversion

Pour être efficace et rentable, le matériau semi-conducteur doit absorber un maximum de l'énergie radiative solaire pour la convertir en énergie électrique.

Rendement des cellules photovoltaïques