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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.