l l î W M t l l ,Loi d ’OhmUn conducteur ohmique de résistance R soumis à une tension l /AB est traversé par un courant é lectrique d'intensité /.

m Quelle relation existe-t-il entre UAB, R e tl ?

Dipôle électriqueLa représentation graphique ci-dessous montre l'évolu­tion de la tension aux bornes d'un dipôle en fonction de l'intensité du courant qui le traverse.

Tension (en V)

■ Cette représentation graphique se nomme :□ a. la caractéristique.□ b. la loi d'Ohm._ c. le point de fonctionnement.

CSHH2Q _Spectre d ’émissionL'image ci-dessous représente le spectre de raies d'émission d'une lampe à vapeur d'hydrogène.

■ Pourquoi l'exploitation de ce spectre permet-elle d'iden­tifier sans ambiguïté l'hydrogène ?

FréquenceL'enregistrement à l'aide d'un microphone du signal sonore émis par un diapason est représenté sur le graphique ci-dessous.

Tension (enV)

O Corrigés p. 294

P our e n tre r dans le c h a p itre .

m hJL

i w

En 1905, le physicien allemand Albert Einstein (1879-1955) s'intéresseà l'action de la lumière sur les atomes. Il s'agit à l'époque de recherche fondamentale, visant uniquement à acquérir de nouvelles connaissances. Cela mène pourtant à une application concrète en 1962 avec la mise au point du premier laser à base de semi-conducteurs. Depuis, les lasers sont utilisés dans différents domaines, de la médecine à l'industrie en passant par Internet.La recherche fondamentale peut nécessiter des financements considérables. Par exemple, le budget du grand accélérateur de particules du Conseil européen pour la recherche nucléaire (CERN) s'élève à presque 1 milliard d'euros sur la période 2015-2026.

Pourquoi est-il important de maintenir de tels budgets pour la recherche fondamentale ?

108 ■ THÈME 2 -LE FUTUR DES ÉNERGIES

DEUX SIÈCLESD'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

Ce n'est qu'au XIXe siècle que les scien­tifiques ont commencé à apprivoiser

l'énergie électrique. D'abord réservée à un petit nombre d'usagers, cette énergie est devenue omniprésente au xxie siècle : elle est désormais indispensable au fonc­tionnement et au développement écono­mique de nos sociétés. Les chercheurs et les industriels ont développé différentes technologies pour répondre à la demande toujours croissante en énergie, tou t en cherchant à réduire leurs impacts sur l'en­vironnement. De l'alternateur au panneau photovoltaïque, les progrès de la recherche fondamentale et l'innovation technologique permettent d'envisager la fabrication de générateurs d'énergie électrique de plus en plus performants.

OBJECTIFAnalyser

les propriétés

LES PREMIERS PAS DE L'ÉNERGIE ÉLECTRIQUEDepuis le XIXe siècle, les besoins énergétiques sont de plus en plus importants pour le développement de nos sociétés. L'énergie électrique est notamment indispensable dans de nombreux secteurs, de l'industrie aux particuliers en passant par les transports.

Comment l'énergie électrique est-elle principalement obtenue depuis le xixe siècle ?

L'invention de l'alternateur

| La découverte du phénomène d'induction

Le physicien anglais Michael Faraday (1791-1867) s'intéresse à la conversion de l'énergie magné­tique d’un aimant en énergie électrique. En 1831, après de nombreuses recherches expérimentales, il observe qu'un aimant en mouvement par rap­port à un fil conducteur fermé sur lui-même peut

induire un courant électrique à travers le fil. Il nomme alors ce phénomène « induction électromagnétique ». Le physicien écossais James Clerk M axwell (1831-

1879) s'appuie sur les résultats expérimentaux de M. Faraday pour développer la théorie de l'électromagnétisme dont il publie les premiers résultats théoriques en 1865. À partir d'un petit nombre d'équations, il décrit mathématiquement l'induction électromagnétique.

| Constitution de l'alternateur

La rotation de l'aimant autour de son axe génère un champ magnétique variable. Cette variation induit entre les bornes de la bobine, constituée d'un fil de cuivre, une tension électrique.

Vue éclatée d'un alternateur de vélo.V.

O A SAVOIRLe rendement est un nombre sans unité, compris entre 0 et 1. Il peut aussi s'exprimer en pourcentage.Dans le cas de l’alternateur, un rendement de 95 % signifie que 95 % de l’énergie mécanique est convertie en énergie électrique et 5 % de l'énergie mécanique est convertie en énergie thermique inutile.

| Du phénomène d'induction à l'alternateur

Un alternateur électrique de 1892 (musée des Arts et Métiers, Paris).

U Conversions d'énergie réalisées par l'alternat»

L'énergie mécanique reçue par l'alternateur est convertie en grande partie en énergie électrique. Une faible partie est convertie en énergie thermique inutile, à cause des frottements et de l'effet Joule dans la bobine.

Énergie thermique (Et)

Le rendement r d'un alternateur mesure l'efficacité de la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique. Il est donné par la relation :

_ énergie utile _ Ee _ EL, _ ̂énergie reçue £m £e+£t ~

L'une des plus importantes innovations basée sur les résultats de recherche de M. Faraday et J. C. Maxwell est la conception de l'alternateur, qui permet la conversion d'énergie mécanique en énergie électrique.Avec les avancées technologiques, les ingénieurs proposent des modèles d'alternateur de plus en plus performants afin de faire face aux demandes de l'industrie et au déve­loppement de l'éclairage électrique.Cependant, obtenir l'énergie mécanique, indispensable au fonctionnement de l'alternateur, reste un enjeu majeur.

110 ■ THÈME 2 -LE FUTUR DES ÉNERGIES

r ^-> Les propriétés d'un alternateur

1 Activité expérimentale PC

Protocole expérim ental

) Connecter les bornes de l'alternateur à celles de l'interface d'acquisition.

) Paramétrer le logiciel à l'aide des indications ci-dessous.

P Tourner la roue d'entraînement de manière à obtenir une amplitude de tension constante, puis réaliser une acquisition.

• Un alternateur de vélo relié à une roue d'entraînement

• Une interface d'acquisition coupléeà un ordinateur doté d'un logiciel dédié

• Deux fils de connexionV____________________________________________________ /

L'interface d'acquisition permet de visualiser sur l'écran de l'ordinateur la tension produite par l'alternateur en fonctionnement.

Vb.Résultat

Paramètres d'acquisition

JCY

Port*VTôt*)

PtnoOQu*

Sowrc* TfrtM Xl ftA O î

S #"* ▼

5 *u l M ir tV

Pré-Tng

60 i.»

□ B

Tension (en V)

£$ Décrire ce qu'est le phénomène d'induction électromagnétique.

P Citer les deux principaux éléments constitutifs d'un alternateur.

P Identifier un facteur pouvant influencer son rendement.

P Justifier, à l'aide de la courbe affichée, que la tension obtenue aux bornes de l'alternateur est alternative et périodique. Déterminer sa fréquence.

g Rédiger un paragraphe pour décrire la constitution et le fonctionnement d’un alternateur en utilisant les mots ou expressions suivants : alternateur, aimant, bobine, mouvement relatif, constitué.

O Pour approfondir : ex. 9 p. 124

Penser la science

Comprendre les méthodes d'élaboration du savoir scientifiqueComme beaucoup de découvertes scientifiques, celle du phénomène d'induction électromagnétique par Michael Faraday s'inscrit dans une longue histoire des sciences.■ Faraday aurait-il pu découvrir le phénomène

d’induction sans les connaissances établies par ses prédécesseurs ?

© Réfléchir comme des scientifiques p. 20

CHAPITRE 5 - DEUX SIÈCLES D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE ■ 1 1 1

OBJECTIFInterpréter et

exploiter un spectre de raies d'émission

DE L'ÉCLAIRAGE PUBLIC À L'ATOME QUANTIQUELorsqu'un gaz est porté à haute température ou lorsqu'il est traversé par une décharge électrique, il émet un rayonnement. Le spectre d'émission observé est alors composé de raies colorées.

Comment expliquer la présence de raies dans un spectre d'émission ?

a9

La naissance de la physique quantique

Vers la physique quantique La physique classique, un modèle incomplet

Avec l'apparition d'alternateurs performants, l'éclairage public se développe. À la fin du xixe siècle, la conception de lampes à incandes­cence devient un enjeu économique.Pour améliorer leur fonctionnement, les scien­tifiques s'intéressent à l'émission de lumière par les corps chauffés. Leurs recherches les conduisent aussi à vouloir expliquer les

spectres d'émission des atomes. Ces spectres, constitués de raies caractéristiques de chaque atome, ne peuvent pas être interprétés par les lois de la physique classique en vigueur à cette époque.Pour sortir de l'impasse, le physicien alle­mand Max Planck (1858-1947) propose dès 1900 que la lumière est émise par « petits paquets », des quanta d'énergie.

| La physique quantique appliquée à l'atome

VideoMax Planck et la physique quantique

^ h a l ie r -clic.tr/est 112

G En 1910, le physicien néo-zélando-britan-

nique Ernest Rutherford (1871-1937) décrit la structure lacunaire de l'atome avec un modèle dit « planétaire » : un noyau chargé positivement autour duquel tournent, dans le vide, des électrons chargés négativement. Le modèle de E. Rutherford, très efficace pour expliquer la structure de l'atome avec

les lois de la physique classique, ne tient pas compte de la théorie de Max Planck et ne permet pas d'interpréter les spectres de raies d'émission. Un autre modèle devient donc nécessaire. ,_ a |lectron

L’atome d'hydrogène selon le modèle de E. Rutherford.

En 1913, le physicien danois Niels Bohr (1885- 1962) améliore le modèle de l'atome. Il montre qu'un atome ne peut exister que dans certains états d'énergie quantifiés. Il trace ainsi la voie de la physique quantique, ouverte par Max Planck, basée sur le principe que l'énergie ne s'échange que par paquets, ou quanta. Les raies d'émission sont alors expliquées par

le passage d'un atome d'un état d'énergie vers un état d'énergie plus faible.

États d'énergie Spectre d'émission

f lLe passage de l'atome de l'état d'énergie E2 vers l'état d'énergie f , s'accompagne d'une émission radiative caractérisée par une raie lumineuse.

La nature probabiliste de la physique quantiquc

Contrairement à la physique classique, la physique quan­tique décrit les phénomènes microscopiques à l'aide de probabilités.Par exemple, la description de l'atome d'hydrogène dans le modèle quantique précise que la position de l’élec­tron autour du noyau ne peut pas être déterminée avec exactitude mais seulement repérée par une probabilité de présence.

Probabilité de présence

0 de l'électron

L'atome d'hydrogène selon la mécanique quantique.

Noyau -i

OV.

112 ■ THÈME Z - L E FUTUR DES ÉNERGIES

Activité documentaire}

Les spectres d'émission des atomes

états d'énergie d'un atome

is le modèle quantique, un atome ne peut exister que is certains états, caractérisés par des énergies quantifiées fiscontinues (£,, E2, Ev etc.), formant un ensemble discret valeurs. L'état de plus basse énergie est appelé « état idamental ».ur l'atome de mercure, par exemple, il existe plusieurs its d'énergie permettant de nombreuses transitions d'un it d'énergie haut à un état d'énergie plus faible. Chaque nsition se traduit par l'émission d'une radiation lumineuse longueur d'onde \ bien précise.

États d'énergie de l'atom e de mercure

♦

État fondamental

Un ensemble discret est un ensemble de valeurs isolées.

? POUR INFOLe modèle quantique de l'atome a permis le développement de nouveaux matériaux, les semi- conducteurs, et l'émergence de l'électronique.

Spectre de raies d'émission de l'atome de mercure

; spectre de raies d'émission de l'atome de mercure comporte usieurs raies. L'intensité lumineuse des raies, évaluée par des es d'amplitude plus ou moins grande, dépend de la probabilité a la transition.

Intensité (en unités arbitraires)

Spectre d'émission et intensité des raies d'émission de l'atome de mercure.

£1 Pourquoi le développement de l'éclairage public a-t-il initié les recherches sur l'émission de lumière par les corps chauffés ?

Spectre d émission d une lampe fluocompacte

Certaines lampes sont fabriquées pour imiter la lumière blanche du Soleil : c'est le cas des lampes fluocom- pactes. Ces dernières renferment un mélange de gaz constitué de différents types d'atomes, chacun contribuant à la lumière de la lampe par son propre spectre. Pour identifier la présence d'un atome, il suffit de connaître la longueur d'onde de certaines de ses raies d'émission et de vérifier leur présence ou non sur le spectre étudié.

4Intensité (en unités arbitraires)

>

Spectre d'émission et intensité des raies démission d’une lampe fluocompacte.

Q Comment explique-t-on que le spectre d'émission d’un atome soit constitué de raies ?

O Expliquer pourquoi les raies d’émission présentes dans un spectre n’ont pas la même intensité lumineuse.

□ Reproduire et compléter le tableau ci-dessous à partir des données relatives à l'atome de mercure.

Transition impliquée Eh-*E, c -» c3Longueur d'onde (en nm) 579 546

H Montrer que le mercure est utilisé dans la fabrication d'une lampe fluocompacte.

O Pour approfondir : ex. 10,11 et 12 p. 124

O o Penser la science

Comprendre les méthodes d ’élaboration du savoir scientifique

Un modèle scientifique est une représentation simplifiée de la réalité permettant d'élaborer une théorie. C'est un cadre qui aide les scientifiques à analyser et expliquer des faits scientifiques.■ Quel phénomène n’a pas pu être expliqué par

le modèle de l'atome de E. Rutherford ? Quelle démarche les physiciens suivirent-ils pour le résoudre ?

O Fiche Outil Modéliser en sciences p. 284

CHAPITRE 5 -DEUX SIÈCLES D'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE « 1 1 3

wOBJECTIF

Comparer le spectre d'absorption d'un

matériau semi- conducteur et le spectre du rayonnement solaire

DE L'ATOME AU MATÉRIAU SEMICONDUCTEURLes capteurs photovoltaïques à base de semi-conducteurs au silicium connaissent un développement sans précédent depuis la prise de conscience des problématiques environnementales. Selon le journal du 18 décembre 2018 du Centre national de la recherche scientifique (CNRS), « La filière silicium représente aujourd'hui près de 95 % du marché de l'énergie solaire ».

I Propriétés électriques des semi-conducteurs Vidéo

W -Si un atome se lie à un autre atome, des états d'énergie supplémentaires apparaissent. Lorsqu'un grand nombre d'atomes s'associent pour former un solide, les états d'énergie se multiplient et finissent par se chevaucher pour former des bandes d'énergie appelées bande de valence, bande de conduction et bande interdite. Les positions relatives de ces bandes

Les semi-conducteur et leur fonctionnemer

5^hatier-clic.fr/est1 H

permettent d'expliquer les propriétés électriques des différents matériaux.

Atome isolé Deux atomes liés Huit atomes liés

o o o ^Énergie •

Énergie

Bande de conduction

Bande interdite Bande interdite

Bande de valence

Isolant Semi-conducteur Conducteur

Bande de valence

Bande de conduction

Bande de valence

Bande de conduction

Association d'atomes et états d'énergie correspondants. Différents types de solides caractérisés par la largeur de leur bande interdite.

Si la largeur de la bande interdite est importante, le solide est un isolant électrique ; si la largeur de cette bande est nulle, le solide est un conducteur du courant électrique.Dans un semi-conducteur, la bande interdite est étroite et cette propriété va permettre au matériau de se comporter, selon les conditions d'utilisation, comme un isolant ou un conducteur. Dans les capteurs photovoltaïques*, lorsqu'un semi-conducteur absorbe l'énergie radiative solaire*, un électron de la bande de valence passe par saut quantique dans la bande de conduction. Ce gain d'énergie permet à l'électron d'être mobile, créant ainsi un courant électrique : c'est l'effet photovoltaïque.

ÉnergieradiativeA / v *

/ \ / \ s +

Passage d'un électron de la bande de valence à la bande de conduction.

Q VOCABULAIRECapteur photovoltaïque : dispositif à semi- conducteurs permettant la production d'énergie électrique par conversion d'énergie radiative. Énergie radiative solaire : énergie transmise par l'ensemble des rayonnements (visible, infrarouge, ultraviolet) émis par le Soleil.

Homme de science

Alexandre-Edmond Becquerel (1820-1891) est un physicien français. Il est considéré comme le découvreur de l'effet photovoltaïque.Il est l'auteur du Mémoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires, Comptes rendus des séances de l'Académie des sciences, vol. 9, p 561-567,1839.

114 ■ THÈME 2 - LE FUTUR DES ÉNERGIES

Tâche complexe PC

Spectre solaire au niveau du sol

Le spectre solaire au niveau de la surface terrestre s'étend du proche ultraviolet au proche infrarouge. La plus grande partie de l'énergie radiative solaire est contenue dans le domaine du visible.

Longueur d'onde (en nm)

DCourbes d'absorption de quelques semi-conducteurs

Lorsqu'un matériau semi-conducteur est soumis à un rayonnement, il absorbe une partie de l'énergie radia­tive. Cette absorption dépend de la longueur d'onde du rayonnement. Au-delà d'une certaine longueur d'onde, qui dépend de la largeur de la bande interdite, le matériau semi-conducteur n'absorbe plus l'énergie radiative.

i Absorption (en unités arbitraires)UV H Infrarouge

1000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000 Longueur d'onde (en nm)

Abondance des éléments chimiques dans la croûte terrestre

S

Parmi les 118 éléments chimiques connus, 94 existent à l'état naturel. Hormis quelques éléments chimiques comme l'or et l'argent, la plupart des éléments forment des minerais.

| Rendement de quelques semi-conducteurs"N

Un capteur photovoltaïque absorbe l'énergie radiative du Soleil et la convertit, en partie, en énergie électrique. Le rendement d'un capteur permet de mesurer l'efficacité de cette conversion d'énergie.

Oxygène Silicium

Aluminium Fer

Calcium | | Magnésium |

Sodium Potassium

Titane Hydrogène| Manganèse j Phosphore j

Autres éléments

Germanium : 1,5 x 10 '4 % Arséniure: 1,8x 10"4 % Gallium: 1,9 x 10"3 %

" l ” " 1 -------- T30 40 50

Abondance (en %)

Rendement maximal de conversion (en %)

35- ---------------------------------------------------------

Arséniure de gallium Silicium Germanium

J v

■ À partir des documents proposés et en utilisant vos connaissances, rédiger un compte rendu structuré et argumenté pour expliquer pourquoi le silicium est le semi-conducteur préférentiellement utilisé pour la fabrication de capteurs photovoltaïques.

O Pour approfondir : ex. 7 p. 122

Le satellite américain Vanguard 1 a été mis en orbite en 1958 par la NASA, il est le premier satellite à être équipé de capteurs photovoltaïques pour alimenter en énergie électrique ses appareils de mesure. C'est aussi le plus vieux satellite a être encore en orbite autour de la Terre.

CHAPITRE 5 - DEUX SIÈCLES D'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE ■ 115

OBJECTIFTracer et exploiter la caractéristique d'une

cellule photovoltaïque

FONCTIONNEMENT OPTIMAL D'UN CAPTEUR PHOTOVOITAÏQUIUn capteur photovoltaïque convertit l'énergie radiative en énergie électrique.Son fonctionnement et son utilisation dépendent donc de l'éclairement de sa surface et de ses spécificités électriques.

Quelles sont les conditions optimales de fonctionnement d'un capteur photovoltaïque ?

Protocole expérim ental équipes A et B

) Réaliser le montage schématisé dans le doc. 2.

t Fixer la distance projecteur-capteur photovoltaïque de manière à ce que l'éclairement sur ce dernier soit environ égal à 10 000 lux.

) Faire varier la valeur de la résistance R et, pour chaque valeur, noter dans un tableur les valeurs de la tension U et de l’intensité du courant / correspondantes.

• Un capteur photovoltaïque• Un projecteur• Un luxmètre• Un ampèremètre et un voltmètre• Une résistance variable (1 Q à 10 kQ)

• Des fils de connexionV_____________________________

| Schéma du montage

L'intensité du courant électrique / délivrée par un capteur photovoltaïque dépend de la tension U entre ses bornes. Pour faire varier la tension aux bornes du capteur photo­voltaïque, il suffit de faire varier la valeur de la résistance R.

Î A savoirUn voltmètre se branche en dérivation aux bornes d'un dipôle ; un ampèremètre se branche en série.

| Montage

Capteur

La notation mathématique t = f (U) signifie que /est portée par l’axe des ordonnées et U par l’axe des abscisses.

eRésultats : tableau de valeurs pour un éclairement de 10 000 lux

Fichier tat^ h a t ,er-clic.fr

rA B c

1 R (Cl ) / (m A ) u (V)2 15 2 7 ,2 6 0 ,4 0 9

3 36 26 ,9 8 0 ,9 6 7

4 52 26 ,93 1,39

5 71 26 ,0 7 1,86

6 81 25 ,0 6 2 ,04

7 135 17 ,99 2,43

8 204 12 ,93 2 ,64

9 304 9 ,07 2 ,76

10 403 6 ,95 2,8

11 503 5,63 2 ,83

12 600 4 ,73 2 ,84

13 801 3 ,57 2 ,86

14 2990 0 ,98 2 ,93

116 ■ THÈME Z - LE FUTUR DES ÉNERGIES

1® Activité expérimentale PC

îquipesA

► Tracer à l'aide du tableur-grapheur la caractéristique courant-tension / = f(U).

© Fiche Maths p. 288

► Réaliser une nouvelle série de mesures avec un éclairement plus faible en augmentant la distance projecteur-capteur.

) Tracer sur le même graphique la seconde caractéristique courant-tension.

V

Résultats

Î A SAVOIRContrairement à celle d'un récepteur, la caractéristique d'un générateur ne passe pas par l'origine du repère.

Équipes B

P Pour un éclairement de 10 000 lux, calculer, à l'aide du tableur et pour chaque couple de valeurs (/ ; U), la puissance électrique P délivrée par le capteur photovoltaïque.

t Tracer à l'aide du grapheur la courbe P = f(R).

Résultat

Puissance (en mW)

Résistance (en O)

»_____________________________________________

La puissance électrique (en watts, W) du capteur est égale à P = U x /.U: tension électrique en volts (V).I : intensité du courant électrique en ampères (A).

O A SAVOIR Le fonctionnement du capteur photovoltaïque est optimal lorsque la puissance qu'il délivre à un récepteur de résistance Rest maximale.

Équipes B□ Déterminer graphiquement la valeur de la puissance

maximale Pmax délivrée par le capteur photovoltaïque.

Q En déduire la valeur de la résistance R du récepteur à utiliser avec le capteur photovoltaïque pour un fonctionnement optimal.

Mutualisation■ À l'oral, un rapporteur de chaque équipe présente les conclusions du travail.

Équipes AQ Expliquer pourquoi le capteur photovoltaïque

se comporte comme un générateur.

B Indiquer l'influence de l'éclairement surle fonctionnement d'un capteur photovoltaïque.

?

Bilan■ À partir des présentations orales, expliciter les conditions optimales de fonctionnement

d’un capteur photovoltaïque. ©Pourapprofondir:ex. 13,14et 15p. 125

CHAPITRE 5 -OEUX SIÈCLES D'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE ■ 117

MÉMORISER A (L‘iæ 9 m îM w t ^ [p s Q ïf ^Podcast

■ ^ h a lie r-d ic .fr/es ll 18

Q L'alternateur, un convertisseur d'énergie mécanique► Un alternateur est un convertisseur d'énergie mécanique en énergies électrique et thermique. Il est constitué principalement d'un aimant, source de champ magnétique, et d'une bobine de fil de cuivre.► Son fonctionnement est basé sur l'induction électromagnétique décou­verte expérimentalement par M. Faraday et décrite mathématiquement par J. C. Maxwell au xixe siècle.► Un aimant en mouvement par rapport à une bobine crée une tension électrique par induction électromagnétique.► Un alternateur délivre une tension alternative et périodique.

| les savoir-faire â maîtriser

SReconnaître les éléments principaux d'un alternateur 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.

10.v"'— y,¥" \2 0-20

Rendement de conversion r :

énergie utile Eéiecwigueénergie reçue fmwamque J

Description quantique de l'atome► Au début du XXe siècle, la physique quantique permet d'expliquer la structure des spectres de raies d'émission des atomes.► Un atome ne peut exister que dans des états d'énergie quantifiés et discontinus. Chaque raie d'émission correspond au passage de l'atome d'un état d'énergie à un état d'énergie inférieur.► Parmi toutes les transitions possibles, seules certaines sont autorisées par les lois de la physique quantique et leur intensité lumineuse dépend de la probabilité de la transition.

LES SAVOIR-FAIRE A MAÎTRISER ©Interpréter et exploiter un spectre d'émission atomique.

États Spectred'énergie d'émission

Plus la probabilité d’une transition est élevée, plus la raie d'émission est lumineuse.

a le capteur photovoltaïque,un convertisseur d'énergie radiative► Le modèle quantique de l'atome a été un outil indispensable au développement de l'électronique, en particulier des semi-conducteurs. ► Les matériaux semi-conducteurs, comme le silicium, sont utilisés dans les capteurs photovoltaïques. Ces capteurs absorbent l'énergie radiative et la convertissent en partie en énergie électrique.► Les capteurs photovoltaïques nécessitent des semi-conducteurs à large spectre d'absorption afin d'absorber un maximum d'énergie radiative du Soleil et ainsi augmenter le rendement de conversion.► La caractéristique courant-tension permet de déterminer la puissance maximale qu'un capteur photovoltaïque peut délivrer et d'accéder à la résistance optimale du récepteur à utiliser avec le capteur photovoltaïque.

Puissance (en W)

LES SAVOIR FAIRE A MAÎTRISER

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

©Tracer la caractéristique / = f(U) d’une cellule photovoltaïque et exploiter cette représentation pour déterminer la résistance d'utilisation maximisant la puissance électrique délivrée.

Semi-conducteur : matériau capable de produire et de conduire le courant électrique selon les conditions d'utilisation.

118 ■ THÈME 2 - LE FUTUR DES ÉNERGIES

‘J m m t iîÊ a s unlschémo

ALTERNATEUR

Fonctionnement

Bobine de fil de cuivre

Aimant

Énergie mécanique (£m)

Énergie électrique (£e)

Conversion d'énergie

^ Énergie thermique (£t)

Rendementénergie utile

r = ~ L -------■---------------= V - =1energie reçue £m V______________________________________________ /

CAPTEUR PHOTOVOLTAÏQUE

—

Je retiens en me posant des questions

Choix du siliciumÉnergie radiative du Soleil (en UA)

Absorption du

Longueur d'onde (en nm)

Conversion d'énergieÉnergie Énergie

radiative (£r) ^ | | | ^ ^ électrique (£e)

Énergie thermique (£t)

Rendement

r = ■énergie utileénergie reçue

- = - — =0,15

Mémorisation activePour ancrer les notions dans ma mémoire, je travaille le cours en me posant les questions ci-contre plusieurs fois dans l'année.

Mémocartes

1. De quoi est principalement constitué un alternateur ?

2. Quelles sont les conversions d'énergie réalisées par un alternateur et un capteur photovoltaïque ?

3. Comment définir le rendement d'une conversion d'énergie ?

4. Quels matériaux sont utilisés pour la fabrication des capteurs photovoltaïques ?

5. Comment peut-on déterminer la puissance optimale délivrée par un capteur photovoltaïque ?

„ aniaj biBjbub vo p u n w u n œ anbnsu^ojoaos ap jiuod y •$ sjnBjynpuoD-iuJBS sbj > = J‘C 'Bnbiwjaqi biBjbuy ia anbupB/B biBjbub

ub BAijoipoj biBjbub,p uojSJBAUOD : BnbioiiOAOioqd jnsidDj : lUBiuBiodouud 'anbupa/B biBjbub ub drbiuoDdiu biBjbub,p uoisjbauod :jnaiDUjaiiy "z luouiio un,p jb BJAim ap /y ap auiqoq Bun,Q • i

CHAPITRE 5 - DEUX SIÈCLES D'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE ■ 119

#ÉvaluationParLesPairs «Pseudoscience

>Esprit critique

Comment la science se construit

INTERROGER L'HISTOIRELorsque Michael Faraday fait de la recherche scientifique, cela ne se résume pas seulement à concevoir des expériences, réaliser des mesures ou réfléchir, même si ces étapes sont essentielles. Il doit également mettre en forme ses résultats par écrit et les communiquer à la communauté scientifique internationale.

Des journaux pour les scientifiquesÀ l ’époque de la fondation en 1660 de la Royal Society, institution destinée à promouvoir les sciences, il y avait deux manières de diffuser la connaissance scientifique : la première par les livres, la seconde par l ’échange de lettres. L’homme de science d’origine allemande Henry Oldenburg (1619-1677), premier secrétaire de la Royal Society et l'un des principaux acteurs du réseau de correspondance de l ’Europe savante, décida de créer un jour­nal scientifique, les Philosophical

Transactions, dans lequel il publierait en anglais les lettres (en entier ou des extraits) qu’il jugerait appropriées et chroniquerait les livres récemment publiés. Le premier numéro parut le 6 mars 1665.

Henry Oldenburg, portrait par Jan Van Cleve, 1668.

7' h j l o s o t h i c a l T R A N S A C T I O N S :

crv rxc some

A C C O M P To r T H E P R E S E N T

Untiauàings , S cu ic , anj Labours

OF THE

I N G E N I O N SI N MA NT

C O N S I D E R A B L E P A R T SO F T H E

O R L DW

For Ànnai.

iStfj, and \66S.

Couverture du premier volume des Philosophical Transactions (1665-1666).

in a * sAvor,P,inKt b,Æ “ * w* «*■

L'évaluation du travail scientifique évolueQuand M. Faraday envoie ses travaux aux Philosophical Transactions en 1832, les choses ont évolué. Ce n ’est plus une seule personne ou un comité éditorial qui prend la décision d’accepter les articles reçus. Ceux-ci doivent doréna­vant être adressés à d ’autres savants reconnus, bien plus fam ilie rs du domaine de recherche de l ’auteur, afin qu’ils produisent chacun un rapport se prononçant pour ou contre une publication dans les Philosophical Transactions. Ainsi, on améliore la qualité de l ’évaluation des travaux scientifiques.

Le peer review, meilleure forme d'évaluation ?Le mécanisme de sélection et d’évaluation des publications scientifiques a évolué dans la seconde moitié du xxe siècle pour devenir celui qui prévaut encore aujourd'hui, dit du peer review (examen par les pairs), un terme apparu au début des années 1970. Aujourd’hui, il existe environ 30 000 journaux scientifiques spécialisés publiant plus de 2 millions d’articles chaque année, un nombre qui double tous les vingt ans. L’évaluation pour publication ne peut plus être prise en charge par l ’éditeur, mais doit être déléguée aux scientifiques eux-mêmes pour une meilleure expertise et plus d’impartialité.La forme la plus courante consiste

à envoyer l'article à plusieurs relecteurs (referees), phase au cours de laquelle auteurs et relecteurs restent anonymes. Ces derniers envoient ensuite leur rapport à l ’éditeur qui, selon leurs recommandations, décide de publier, de faire corriger ou de refuser la publication.Cependant, les contraintes qui pèsent sur les chercheurs sont lourdes : leur notoriété et progression professionnelle dépendent

beaucoup de leurs publications dans les revues spécialisées, poussant parfois à l ’erreur. Face à ces dérives, d’autres critères d'évaluation de leur carrière sont en train d’être retenus (enseignements, livres, communica­tions vers le public, etc.).

À L’ÉCRIT / À L’ORAL

Montrer comment l'évaluation du travail scientifique a gagné en efficacité depuis la fondation de la Royal Society. Citer les faiblesses du système actuel.

Comment évalue-t-on le travail scientifique ?Les revues scientifiques pratiquent maintenant le peer-review, qui consiste à envoyer un article avant publication à des relecteurs extérieurs (anonymes) afin qu'ils jugent de sa qualité.

120 ■ THÈME Z - ce FUTUR DES ÉNERGIES

interroger les mots

Certaines pratiques prétendent soigner en invoquant la physique quantique. Utilisant un vocabulaire scientifique de manière abusive, elles peuvent avoir des conséquences graves sur nos choix de santé.

£ Le soin quantique par reprogrammation ce llu la ire vous permet d ’a ligner vos fréquences vitales sur celle des atomes.

Texte de promotion pseudoscientifique d’une thérapie dite « quantique ».

Effet paillasson, métonymie et imposture intellectuelleVous ne vous êtes jamais essuyé les pieds sur un paillasson. Comment en être si sûr ? Tout simplement en relisant la phrase : « Vous ne vous êtes jamais essuyé les pieds sur un paillasson ». Vos chaussures en revanche, oui ! Car c'est bien d'exactitude de langage dont il est question dans ce que le physicien fran­çais Henri Broch (né en 1950) a nommé « effet paillasson » : désigner une chose par un mot qui ne lui correspond pas.Cela se rapproche de la métonymie en littérature : boire un verre, finir son assiette, ne plus avoir de batterie, lire un Zola, etc. joue sur la confusion entre contenu et contenant, entre l ’artiste et l'œuvre.Pour certaines pratiques pseudoscien­tifiques qui utilisent un vocabulaire scientifique de manière abusive pour faire croire que ce qui est raconté est fiable, prouvé et sérieux, on peut parler d ’imposture intellectuelle. Il est très difficile de repérer ces « effets paillasson » car il faut être spécialiste pour comprendre que certains mots choisis n'ont aucun sens dans le contexte.

£ e c c tl e M jw l a to n e . fd fiÆ ,

La trahison des images, tableau de René Magritte, (1898-1967). L’intention de l’artiste surréaliste belge est de montrer que même la peinture la plus réaliste qui soit n'est qu'une image de l’objet représenté.

Mésusage de la physique quantiqueLa physique quantique étudie la matière à l ’échelle des atomes et molécules, avec l ’idée que les échanges d’énergies sont quantifiés (non continus).Sorti de son contexte scientifique, le mot « quantique » peut cependant être utilisé abusi­vement en l ’accolant à des termes comme « thérapie », « médecine » ou « bien-être », dans le but de vendre une technique de soin sans aucun rapport avec la physique quantique et parfois dangereuse pour notre santé. Ces pratiques pseudoscientifiques, donc trompeuses, n’ont pourtant rien de « quantique ».Pour désigner ces abus et dangers dans l ’usage de ce terme, le chercheur français en didactique des sciences Richard Monvoisin (Université de Grenoble) parle de « quantox », mélange de quantique et d’intox et nous invite à rester vigilants face à ce type d'imposture intellectuelle quand elle touche à notre santé.

À L’ÉCRIT / À L’ORAL

Repérer les critères permettant de détecter les pièges de certains discours pseudoscientifiques.

Que faire face à ce type d'abus ?Ne pas hésiter à poser des questions et à rester sceptique face aux messages publicitaires qui utilisent un vocabulaire scientifique complexe sans apporter de preuves.

CHAPITRE S - OEUX SIÈCLES D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE ■ 121

S'EXERCERr

% Parcours d ’exercices ★ ★ ★ ★ ★ ★

O Reconnaître les éléments principaux d'un alternateur et analyser ses propriétés. > 1*2 9© Définir le rendement d'un alternateur et citer un phénomène susceptible de l'influencer. 3 O Interpréter et exploiter un spectre d’émission atomique. > 4*5 12© 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. > 7

©Tracer et exploiter la caractéristique pour déterminer la résistance d'utilisation maximisant la puissance électrique délivrée.

V _

8 15

VÉRIFIER ET APPLIQUER SES CONNAISSANCES

Q q c m

► Choisir la bonne réponse.

1. Un alternateur est constitué essentiellement :□ a. d'un fil de cuivre et d'un aimant.□ b. d'un fil de cuivre.□ c. d'un aimant.

2. Un alternateur convertit principalement :□ a. l'énergie mécanique en énergie thermique.□ b. l'énergie électrique en énergie mécanique.□ c. l'énergie mécanique en énergie électrique.

Q Les éléments d’un alternateurLa photographie ci-dessous représente une vue éclatée d'un alternateur pour vélo.

Bobine Aimant Galet

1 . Quel élément produit le champ magnétique ?2. Quel élément est constitué d'un fil de cuivre ?

Q Un convertisseur d’énergieL'alternateur convertit une forme d'énergie en d'autres.1. Réaliser le diagramme énergétique de l'alternateur.2. Définir le rendement r d'un alternateur et donner sa valeur approximative. Quel facteur peut le modifier ?

Q Vrai ou faux ?► Repérer les propositions incorrectes et les corriger.

a. L'émission de lumière par un gaz constitué d'atomes est caractérisée par un spectre de bandes.b. Les états d'énergie d'un atome sont quantifiés.c. La physique classique explique les spectres de raies.

^ Interpréter les raies d’émissionLes raies du spectre d'émission d'un atome sont repérées par leur longueur d'onde et leur intensité relative.

Intensité relative (en UA) 15 34 80 186

410 434 486 656Longueur d'onde (en nm)

1. Que peut-on dire sur les états d'énergie de l'atome ?2. Quelle est la raie la plus intense ? La moins intense ?3. Identifier la raie qui correspond à la transition la plus probable.

Q Répondre à l ’oral1. Nommer le type de matériau utilisé pour la fabrication des capteurs photovoltaïques.2. Décrire le fonctionnement d'un capteur photovoltaïque.3. Expliquer ce qu'est une caractéristique courant-tension.

^ Capteur photovoltaïquePlus le spectre d'absorption d'un semi-conducteur recouvre une grande partie du spectre solaire, plus il est adapté à la fabrication d'un capteur photovoltaïque.

Énergie radiative(enUA) J

i Absorption (en UA)

_

800 1 200 1 600 2 000 Longueur d’onde (en nm)

Longueur d’ondeH t (en nm)

200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000

.Classer les semi-conducteurs du plus au moins adapté à i fabrication d'un capteur photovoltaïque selon ce critère.

. Quel matériau est pourtant le plus utilisé et pourquoi ?

122 ■ THÈME 2 - LE FUTUR DES ÉNERGIES

RESOUDRE AVEC METHODE

Q Caractéristique d’un capteur photovoltaïqueLa caractéristique courant-tension d'un capteur photovoltaïque est une courbe qui représente l'évolution de l'intensité du courant électrique que le capteur délivre en fonction de la tension entre ses bornes. Le tableau ci-dessous donne l'intensité du courant en fonction de la tension correspondante pour un éclairement donné.

Tension enV) 0 0,8 1,3 1,6 1.9 2.3 2,5 2,7

Intensité (en mA) 11 11 11 10 9.2 5,7 2,5 0,3

1 . Tracer la caractéristique / = f(U).Échelle : 2 cm pour 0,5 V (abscisses) et 0,5 cm pour 2 mA (ordonnées).

2 . À partir du tableau, calculer pour chaque couple de mesures (/ ; U) la puissance électrique délivrée par le capteur.

3. Pour quelles valeurs U0 et l0 cette puissance est-elle maximale ?

4. En déduire la valeur particulière de la résistance R branchée aux bornes du capteur pour laquelle la puissance délivrée par ce dernier est maximale.

Corrigé :

I. La caractéristique courant-tension du capteur plxrfovoltaïque est la courbe représentant / en fonction de U. >

Intensité (en mA)

12

10

8

6

4

2

00 0,5 IX) 1 3 2,0 2,5 3,0

Tension (en V)

Bien nommer les axes et indiquer les unités des grandeurs physiques.La notation / = f(U) signifie que l'intensité du courant est portée par l'axe des ordonnées et la tension par l'axe des abscisses.

2. La puissance électrique délivrée par le capteur est donnée par la relation : P = U X I. Cette relation permet de calculer la puissance du capteur photovoltaïque pour chaque couple de valeurs.

Tension (en V) O 0,8 13 Ub iq 23 2,5 2,7Intensité (en mA) II II II 10 M,2 5,7 25 03Puissance (en mW) O 8,8 IM Ib 18 B b3 0,8

3. D'après le tableau de la question 2, la puissance maximale délivrée par le capteur est Ÿ égale à = 18 mW = 18 X IO‘2 W. Elle est obtenue pour Iq = 3,2 mA = 4,2 X ICT3 A et LL = l,q V .....J

, -A-................

M. D'après la loi cfOhm, R = — sort R = ^ 3 = 2IO Q. .................................................4.b H2 X lu

Pour un éclairement donné, le capteur photovoltaïque délivre une puissance maximale lorsqu’il est connecté à un dipôle électrique de résistance R = 2IO Q

Il est nécessaire de convertir :1 mA = 0,001 A=10"3A.

On exprime R à partir de la formule associée à la loi d’Ohm, L/= R x I.En multipliant les deux membres par y on obtient :

U x j = R x / x ysoit j = R.

Attention aux unités : pour que la valeur de la résistance soit bien exprimée en ohms, la tension doit être exprimée en volts et l'intensité en ampères.

CHAPITRE 5 - DEUX SIÈCLES D'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE ■ 123

rS'EXERCERPRATIQUER UN RAISONNEMENT SCIENTIFIQUE

B Les propriétés de l ’alternateurLe graphique ci-dessous représente l'évolution de la tension électrique aux bornes d'un alternateur en fonction du temps.

Tension (en V)

f f i peux modèlesLa description de l'atome d'hydrogène peut se faire à l'aide des deux représentations suivantes :

, - q . Électron Noyau•

Noyau \

a.

1. Cette tension est-elle alternative ? Justifier.

2. Pourquoi cette tension est-elle qualifiée de périodique ?

3. Déterminer la période de cette tension et sa fréquence.

O Aide à la résolution p. 297

► Attribuer chacune d'entre elles à la physique classique ou à la physique quantique et justifier la réponse.

^ Lampe dite « tube au néon »En utilisant les documents ci-dessous, indiquer quels sont les atomes présents dans une lampe dite « tube au néon » et conclure sur cette appellation.

n Spectre en intensité d'une lampe dite « tube au néon »

La physique quantique @@0223À la fin du xixe siècle, la physique classique est incapable d'expliquer certains phénomènes. Pour les interpréter, une nouvelle théorie, la physique quantique, est introduite.

Le chimiste belge Ernest Solvay (1838-1922) invite dès 1911 les chercheurs pour communiquer sur leurs travaux. Ces congrès favorisent l'avancée des recherches et permettent à une nouvelle génération de théoriciens de rejoindre le mou­vement engagé dans cette nouvelle « physique quantique ».

■ I

Intensité (en UA)

400 450 500 550 600 650 700Longueur d'onde (en nm)

Spectre de raies du néon

m il400 450 500 550 600 650 700

Longueur d'onde (en nm)

Les participants photographiés au congrès de 1927.

1. Lors du congrès de 1911, la physique quantique était-elle acceptée par tous les scientifiques ?

2. Justifier qu'Ernest Solvay a contribué à faire progresser la recherche fondamentale.

3. En 1927, Albert Einstein et Niels Bohr participent au congrès. Regarder la vidéo, puis expliquer en Vj(Jéoquoi leurs Visions diffèrent. Le débat Einstein-Bohr

^ h a tier-clic.fr/est124

400 450 500 550 600 650 700Longueur d'onde (en nm) , ,

124 THÈME 2 - LE FUTUR DES ÉNERGIES

© Le n ° l du photovoltaïque espr it c r it iq u e

L'Allemagne est aujourd'hui le premier producteur mondial d'énergie électrique d'origine photovoltaïque.

© Cellule et panneau photovoltaïquePour former un panneau photovoltaïque, les cellules sont associées en série et/ou en dérivation.

1. Pourquoi la carte ci-dessous peut faire penser que le territoire allemand ne serait pas propice à l'installation de panneaux photovoltaïques à l'échelle industrielle ?

n Ensoleillement moyen en Europe

750 W m 2

OcéanAtlantique

2 200W- rrr2J

2. Justifier, à l'aide des graphiques ci-dessous, que cela ne relève pas uniquement d'un choix politique.

0 Caractéristiques d'un capteur photovoltaïque en fonction de l'ensoleillement

3 .Quelle idée reçue peut influencer ici le raisonnement scientifique ? O Développer son esprit critique p. 24

1 . Quelle caractéristique résulte d'une association en série de cinq cellules identiques ?

2. Quelle caractéristique résulte d'une association en déri­vation de cinq cellules identiques ?

j 3. Quel avantage apporte l'association de cellules en série ou en dérivation ?

O Aide à la résolution p. 297

Caractéristiques A Caractéristiques B

^ P u is s a n c e d’un capteurLa puissance délivrée par un capteur en fonction de la ten­sion électrique entre ses bornes est représentée ci-dessous.

► Déterminer la valeur de la résistance à utiliser avec ce capteur photovoltaïque pour maximiser la puissance qu'il délivre. O Aide à la résolution p. 297

^ E H 2> Lampes à vapeur de sodiumL'éclairage public utilise des lampes à vapeur de sodium. Leur spectre d'émission est caractérisé par deux raies jaunes situées à X2 = 589,0 nm et X, = 589,6 nm.

DONNÉES• Énergie de l'atome dans l'état fondamental : E0 = -5,14 eV• Célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00 x 10® m s'1• Constante de Planck : h = 6,63 x 10"M J-s • l e V = 1,60 x 10'19J1. Déterminer les différences d'énergie AE associées à ces deux raies d'émission.

2. Sachant que les deux transitions se font vers l'état fonda­mental, calculer l'énergie de l'atome dans l'état d'énergie E, et dans l'état d'énergie £2.3. En déduire le diagramme d'état d'énergie simplifié de l'atome de sodium.

O Aide à la résolution p. 297

CHAPITRE 5 - OEUX SIÈCLES D'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE ■ 125