Deux siècles d’énergie électrique

L'alternateur électrique

L’alternateur électrique

 

I. Le phénomène d’induction EM

 

Le principe physique derrière l’alternateur est le principe d’induction.

 

Expérience de Faraday

Faraday

Si on imagine une bobine de fil reliée à une lampe et que l’on approche un aimant de la bobine, il ne se passe rien, la lampe reste éteinte. En revanche si on imagine que cette fois-ci on bouge cet aimant proche de la bobine (par exemple un mouvement d’aller-retour), alors la lampe va s’allumer. On est donc capable de générer une tension électrique aux bornes de la bobine et donc aux bornes de la lampe.

 

Mis en équation par Maxwell

Tout ceci a été mis en équation par Maxwell : ce sont les équations de Maxwell. On peut retenir de toutes ces équations qu’un aimant mobile génère une tension dans un bobine.

 

II. L’alternateur électrique

 

Si on essaye d’utiliser l’induction pour faire de l’électricité, alors on obtient ce que l’on appelle un alternateur électrique.

 

Convertisseur

C’est en fait un convertisseur électromécanique. Il prend de la puissance mécanique et il convertit cette énergie en énergie électrique.

 

Principe de l’alternateur

Le principe est le même que celui de l’induction. Une bobine est branchée à un récepteur, ici une résistance, et un aimant tourne sur lui même à proximité de la bobine. Dans ce cas, la bobine reste fixe et l’aimant est mobile : on parle de stator pour la bobine et de rotor pour l’aimant. On peut faire l’inverse : l’aimant est fixe (stator) et la bobine tourne sur elle-même autour de l’aimant (rotor).

 

Rendement

Le rendement en fixe est souvent noté $eta$. Le rendement représente ce qui est utile divisé par ce qui est consommé. Ici la grandeur utile est la puissance électrique, c’est ce que l’on veut récupérer, et la grandeur consommée est la puissance mécanique, c’est celle qu’on fourni pour de l’électricité.

Ainsi : $eta=dfrac{“utile”}{“consommé”}=dfrac{P_e}{P_m}$

Pour les alternateurs le rendement est de l’ordre de 95 %. Les pertes proviennent :

– des frottements mécaniques (les pièces sont en mouvement),

– de l’effet Joule dans le bobinage.

La mécanique quantique se cache derrière le photovoltaïque

La mécanique quantique se cache derrière le photovoltaïque

 

I. Mécanique quantique = quantification

 

La mécanique quantique est associée à un phénomène physique : la quantification. Cela traite de ce qu’il se passe dans les atomes.

 

Revoir le modèle atomique

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Dans le modèle classique les atomes peuvent avoir leur électrons dans n’importe quel niveau d’énergie, c’est-à-dire qu’ils peuvent être à une distance aléatoire de leur noyau. Cela implique que le niveau d’énergie atteint pas l’électron est complètement aléatoire, il y a un continuum d’énergie.

Pour ce qui est du modèle quantique, les électrons ne peuvent être qu’à une certaine distance fixée du noyau. Cela donne des niveaux d’énergies bien précis. Ceci permet d’expliquer les phénomènes d’absorption et d’émission de lumière par les atomes.

 

Absorption et émission

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L’émission de lumière se fait lorsqu’un des électrons qui se trouve dans un état excité (haute énergie) descend vers un niveau d’énergie plus bas. Dans ce processus, l’électron émet un photon. L’énergie du photon a pour valeur l’écart énergétique entre le niveau d’énergie initial et le niveau d’énergie final.

Puisque les niveaux d’énergie sont quantifiés, l’énergie du photon aussi et donc sa longueur d’onde l’est également. C’est le phénomène suivant :

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Lorsque l’on est en émission, le spectre d’émission du photon est quantifié : il n’y a que quelques raies lumineuses qui apparaissent.

A l’inverse lorsque l’on parle d’absorption lumineuse, le photon qui est dans un niveau d’énergie bas va absorber un photon pour passer dans un niveau d’énergie plus haut. Le spectre d’absorption possède alors quelques extinctions qui sont quantifiées elles aussi.

 

II. Matériaux semi-conducteurs

 

Les matériaux semi-conducteurs sont un peu comme les atomes, sauf qu’on met une grande quantité d’atomes les uns à côté des autres.

 

Plage d’absorption

On a alors plutôt des bandes d’absorption :

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On observe sur ce schéma différentes bandes d’absorption pour différents semi-conducteurs. De plus, il y a aussi le spectre d’émission du soleil. Lorsque l’on veut faire un panneau photovoltaïque, on veut que le semi-conducteur choisi absorbe au maximum l’énergie du soleil. Pour cela, il faut absolument que le spectre d’absorption du semi-conducteur soit confondu avec le spectre d’émission du soleil. On voit alors que les semi-conducteurs 1 et 2 marchent, mais le semi-conducteur 3 ne marche pas.

Le principal semi-conducteur utilisé par les industries est le silicium.

 

Panneau photovoltaïque : convertisseur d’énergie

Un panneau photovoltaïque est en fait un convertisseur énergétique : il convertit la puissance lumineuse du soleil en puissance électrique.

 

Caractéristique courant tension

Pour finir, on peut s’intéresser à la caractéristique courant-tension d’un tel panneau.

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Le générateur représente le panneau et le récepteur est une résistance simple électrique. Le générateur est en convention générateur (i et U dans le même sens) et la résistance en convention récepteur (i et U de sens opposé).

On peut tracer les caractéristiques courant tension (i en fonction de U) du générateur et de la résistance. L’intersection entre ces deux courbes est appelé point de fonctionnement : il y a un courant et une tension spécifiques pour lesquelles le circuit fonctionne. Il faut alors maximiser ces deux valeurs, on comprend qu’il faut choisir une résistance qui permette d’atteindre le point de la caractéristique du panneau au moment où U et i sont maximaux.