#print(" |")" Chapitre 1 : Deux siècles d'énergie _électrique Savoir-faire : - Reconnaitre les éléments principaux d'un alternateur dans un schéma fourni. - Analyser les propriétés dun alternateur modèle étudié expérimentalement en classe. - Définir le rendement d'un alternateur et citer un phénomène susceptible de l'influencer. Comparer le spectre dabsorption d'un matériau semi-conducteur et le spectre solaire pour décider si ce matériau est susceptible d'être utilisé pour fabriquer un capteur photovoltaique. Dans le secteur de l'énergie, l'électricité joue un rôle majeur dans le développement économique. Produire de lélectricité sans contribuer au réchauffement climatique, en concevoir le stockage sous d'autres formes, optimiser son transport deviennent des objectifs majeurs d'une transition climatique et environnementale. Depuis le XIXe siècle, les progrès de la recherche scientifique fondamentale et de Vinvention technique ont conduit à développer des générateurs électriques pratiques, performants, à l'impact climatique et environnemental de moins en moins marqué Historiquement, le développement des techniques d'obtention d'énergie électrique s'est appuyé sur des découvertes expérimentales et des avancées théoriques qui furent souvent le résultat de recherches dont le développement n'était pas le but premier. Il est ainsi fréquent que les résultats de la recherche fondamentale aboutissent à des innovations technologiques anticipées. I. L'alternateur électrique Les alternateurs électriques exploitent le phénomène d'induction électromagnétique découvert par Faraday puis théorisé par Maxwell au XIXe siècle. 1. L'induction électromagnétique Lorsqu' une bobine est soumise à un champ magnétique qui varie, il apparait un courant électrique induit dans la bobine : c'est le phénomène d'induction électromagnétique. 2. L'alternateur électrique L'alternateur réalise une conversion d'énergie mécanique en énergie électrique avec un rendement potentiel très proche de 1. Rendement : n = Eelec / Emeca = Pelec / Pmeca avec : les énergies en joule (J)a ou kJ, MJ, GJ, ... les puissances en watt (W) ou mW, kW, ... C'est un nombre compris entre O et 1, qui peut s'exprimer en pourcentage. Il est composé d'une partie mobile : le rotor (un aimant ou une bobine parcourue par un courant électrique) d'une partie fixe : le stator (une bobine fixe) Le rotor tourne à l'intérieur du stator pour produire un courant alternatif grâce au phénomène d'induction électromagnétique. II. Les matériaux semi-conducteurs Au début du XXe siècle, la physique a connu une révolution conceptuelle à travers la vision quantique qui introduit un comportement probabiliste. 1. Niveaux d'énergies La physique quantique s'intéresse en partie aux interactions entre la lumoère et la matière : la matière peut émttre ou absorber interactions des entre photons (grains de lumière). Les échanges d'énergies entre matière et lumière sont quantifiés l'énergie échangée ne peut prendre que certaines valeurs biens précises appelées valeurs discrètes. Ainsi, pour chaque atome, on peut représenter un diagramme énergétiqueavec les différentes valeurs énergétiques qu'il peut prendre. Ainsi, chaque atome possède un spectre d'émission de raies : on a des raies colorées sur fond noir Chaque raie colorée correspond à une transition entre 2 niveaux d'énergie différents de l'atome Le caractère discret de raies d'émission des atomes s'explique par la physique quantique. 2. Matériaux semi-conducteur Le diagramme d'énergie des solides diffère de celui des atomes, il possède des bandes d'énergie une bande de valence et une bande de conduction. Selon les valeurs energétiques de ces bandes, on a différents matériaux. Ainsi, selon les conditions ď'utilisation, un matériau semi-conducteur comme le silicium se comporte comme un conducteur ou un isolant. C'est une conséquence de la physique quantique également. 3. La cellule photovoltaique Une cellule photovoltaïque est un capteur composé de matériaux semi-conducteurs qui absorbent l'énergie radiative (la lumière) et la convertissent en énergie électrique. Une partie de cette énergie est dissipée, mais le rendement est en augmentation constante grâce aux progrès technologiques. Pour exploiter au mieux la cellule photovoltaique, il faut tracer sa caractéristique I = f(U) et déterminer sa puissance maximale et la résistance maximale : Pmax = U.I Ainsi: Rmax = U / I Pour qu'un semi-conducteur soit efficace, il faut que le spectre du semi-conducteur corresponde au spectre solaire.