Thème : Le futur des énergies

Deux siècle d’énergie électrique

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Induction électromagnétique

Induction

Phénomène physique conduisant à l’apparition d’un courant électrique dans le conducteur lorsqu’il est soumis à un champs magnétique variable.

Ce phénomène est d’une importance pratique capitale. Il est notamment utilisé dans les générateurs et les transformateurs électriques, les bobines, ou encore les plaques à induction grâce aux courants de Foucault.

Matériel

  • Aimant droit
  • Bobine
  • Galvanomètre
  • Fils de connexion (×2)
  • Pinces crocodile (×2)
  1. Schématiser le dispositif expérimental.
  2. Justifier si le type de courant obtenu, par va et vient ininterrompu de l’aimant, est continu.

À la découverte de l’alternateur

Depuis le XIXe siècle, les besoins en énergie électrique n’ont cessé d’augmenter.

Comment l’énergie électrique est principalement obtenue depuis cette époque ?

Qu’est-ce qu’un alternateur ?

Un alternateur est une machine rotative qui convertit l’énergie mécanique fournie au rotor en énergie électrique à une bobine fixe appelée (stator).

Fonctionnement d’un alternateur

Schéma d’un alternateur

Source lelivrescolaire
  1. Un alternateur est un convertisseur d’énergie, indiquer quel type d’énergie est transformé en énergie électrique.
  2. Indiquer le nom de la partie fixe et de la partie mobile d’un alternateur.
  3. Un alternateur a un rendement de l’ordre de 95%. Pour alimenter les phares d’un vélo, il est recommandé d’avoir une puissance électrique de 3 W. Déterminer la puissance mécanique à fournir.
À retenir

  • Pour calculer le rendement r, on divise la puissance de sortie par la puissance en entrée :

    r = Ps / Pe

  • Un alternateur

    • est un dipôle électrique qui exploite le phénomène d’induction électromagnétique ;
    • permet de transformer de l’énergie mécanique en énergie électrique avec un rendement proche de 100 %.

  • Un alternateur produit un courant alternatif, plus la vitesse du rotor est élevée, plus la fréquence du courant est élevée.

    En France, le courant est délivré avec une fréquence de 50 Hz.

  • La grande majorité de l’électricité (environ 92,3% en 2024) est produite à partir d’alternateurs

Comment l’observation de la lumière à permis la révolution quantique

Dans un atome, les électrons sont répartis dans :

Le spectre d’émission des atomes est

L’électricité est du

De l’alternateur aux semi-conducteurs

À la fin du XIXe siècle, l’avènement de générateurs d’électricité plus efficaces favorise l’essor de l’éclairage public. Dans leur quête d’amélioration des lampes utilisées, des scientifiques se penchent sur l’explication des spectres discret d’émission des atomes.

Savoirs

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

Savoir-faires

  • Interpréter et exploiter un spectre d’émission atomique.
  • 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.

En 1900, Max Planck propose une hypothèse novatrice selon laquelle la lumière est émise par des “paquets” d’énergie, appelés photons. Cette idée révolutionnaire ouvre la voie à une nouvelle approche de la physique : la mécanique quantique. Cependant, le modèle planétaire de l’atome (établi par Ernest Rutherford) ne parvient pas à expliquer les spectres d’émission.

Niels Bohr apporte une avancée majeure en 1913 en démontrant que les atomes ne peuvent exister que dans des états d’énergie quantifiés. Selon ce modèle, les raies d’émission d’un spectre sont expliquées par les transitions des atomes entre différents niveaux d’énergie.

Rappels de seconde

Lorsqu’un gaz à basse pression est excité, les atomes qui constituent ce gaz émettent un rayonnement électromagnétique dont le spectre est discret.

Chaque atome à un spectre électromagnétique qui le caractérise.

Spectre d’émission de l’hélium
Spectre d’émission de l’hélium (en nm)

Les semi-conducteurs

Dans les solides, constitués d’un assemblage de nombreux d’atomes, les niveaux d’énergie de chacun d’entre eux s’associent et finissent même par se superposer. Il se forme alors des “bandes” d’énergie qu’on peut classer en trois catégories :

la bande de valence
pour ces niveaux d’énergie, les électrons du matériau sont au repos ;
la bande de conduction
grâce à des niveaux d’énergie plus élevés que dans la bande de valence, les électrons peuvent se déplacer librement et donc conduire un courant électrique ;
la bande interdite
lorsqu’elle existe, cette bande vient séparer la bande de valence et la bande de conduction. Elle ne dispose d’aucun niveau d’énergie et empêche donc le passage spontané d’un électron d’un état de repos à la conduction d’un courant électrique.

Les positions relatives de ces bandes permettent de distinguer trois familles de matériaux : les conducteurs, les semi-conducteurs et les isolants.

Lien entre énergie et longueur d’onde

ΔE = h × c / λ,

avec ΔE la variation d’énergie en joules (J), h la constante de Planck, c la célérité de la lumière dans le vide et λ la longueur d’onde de la lumière en mètre (m).

Énergie des six premiers niveaux de l’hydrogène
niveau énergie (eV)
1 -13.61
2 -3.40
3 -1.51
4 -0.85
5 -0.54
6 -0.38

  2. Proposer une définition pour un semi-conducteur en utilisant les termes : matériau, conducteur, isolant, bande de valence, bande interdite, bande de conduction.

  3. Regarder la vidéo et répondre aux questions suivantes :

    1. Relever la “particularité” que possède le silicium, constituant usuel des panneaux solaires.
    2. Indiquer la conversion d’énergie réalisée au sein d’un panneau solaire.
    3. Justifier la nécessiter de “doper” le silicium pour réaliser une telle conversion.

  4. Défi : Calculer la longueur d’onde des transitions 3→2, 4→2, 5→2, 6→2. Données 1 eV = 1,602 × 10-19 J, h = 6,626 × 10-34 J·s

Dans un semi conducteur, les électrons passent de la bande de valence vers la bande de conduction lorsqu’ils reçoivent suffisamment d’énergie.

Mise en place de panneaux photovoltaïques sur un parking

Une ombrière photovoltaïque est une structure artificielle équipée de panneaux photovoltaïques qui a pour double fonction de procurer de l’ombre et de produire de l’énergie électrique.

Une ombrière photovoltaïque peut être installée en milieu urbain, par exemple au-dessus des parcs de stationnement, ou en milieu rural, par exemple au-dessus des cultures.

LOI n° 2023-175 du 10 mars 2023 relative à l’accélération de la production d’énergies renouvelables

  1. Les parcs de stationnement extérieurs d’une superficie supérieure à 1 500 mètres carrés sont équipés, sur au moins la moitié de cette superficie, d’ombrières intégrant un procédé de production d’énergies renouvelables sur la totalité de leur partie supérieure assurant l’ombrage.
  1. Sans préjudice de l’article L. 111-19-1 du code de l’urbanisme et de l’article L. 171-4 du code de la construction et de l’habitation, le I du présent article s’applique aux parcs de stationnement extérieurs existant au 1er juillet 2023 et à ceux dont la demande d’autorisation d’urbanisme a été déposée à compter de la promulgation de la présente loi :
    1. Lorsque le parc de stationnement extérieur n’est pas géré en concession ou en délégation de service public, le 1er juillet 2026 pour les parcs dont la superficie est égale ou supérieure à 10 000 mètres carrés, et le 1er juillet 2028 pour ceux dont la superficie est inférieure à 10 000 mètres carrés et supérieure à 1 500 mètres carrés.

Quand un semi-conducteur est exposé à un rayonnement, il absorbe une portion de l’énergie radiative qu’il reçoit, mais cette absorption est principalement influencée par la longueur d’onde du rayonnement.

En effet, au-delà d’une certaine longueur d’onde (déterminée par la largeur de la bande interdite), le semi-conducteur n’est plus capable d’absorber l’énergie radiative reçue.

Données

  • Coût de 1 MW·h d’électricité : 192,50 €
  • Puissance surfacique moyenne reçue : 140 W·m-2
  • Rendement d’un panneau solaire : 20%
  • Coût d’installation d’un panneau solaire : 500 €/m2
Spectre d’absoption de différents semi-conducteurs
Coûts de différents semi-conducteurs
Abondance des éléments chimiques
Spectre d’émission du Soleil

  1. À l’aide de l’article 40 de la loi n°2023-175, identifier le délai dont dispose un supermarché de Villemomble pour installer une ombrière photovoltaïque sur son parking d’une surface de 1700 m2.

  2. En comparant le spectre d’émission solaire avec les spectres d’absorption des différents semi-conducteurs, expliquer l’intérêt de les utiliser dans les capteurs photovoltaïques.

  3. Rédiger un paragraphe argumenté pour justifier en quoi le silicium demeure, parmi les quatre semi-conducteurs présentés, le matériau recommandé pour l’installation de l’ombrière photovoltaïque sur le parking du supermarché.

  4. Estimer l’énergie électrique (en kW·h) que produira l’ombrière photovoltaïque en moyenne chaque année, en considérant qu’elle est constituée exclusivement de capteurs au silicium et que ces derniers recouvrent l’intégralité du parking du supermarché.

  5. Calculer l’économie réalisée chaque année sur la facture d’électricité du magasin grâce à ces panneaux solaires. Quel(s) autre(s) avantage(s) procure l’installation d’un tel dispositif ?

  6. Déterminer le nombre d’années nécessaires pour rembourser l’investissement.

La cellule photovoltaïque, ou comment exploiter l’énergie du Soleil

Notions travaillées