Bilan construit - Questions
1. Qu’est-ce que le phénomène d’induction électromagnétique ?
2. Qu’est-ce qu’un alternateur et comment fonctionne-t-il ?
3. Comment calculer le rendement d’un alternateur ?
4. Qu’est-ce qu’un semi-conducteur et en quoi la physique quantique a-t-elle permis son exploitation ?
5. Comment choisir un semi-conducteur adapté pour un capteur photovoltaïque ?
Bilan construit - Corrigé
1. Qu’est-ce que le phénomène d’induction électromagnétique ?
L'induction électromagnétiqueest le nom de l'apparition d'un courant électrique aux bornes d'une bobine de fils lorsqu'un aimant est mis en mouvement à son voisinage. C'estMichael Faradayqui découvre ce phénomène en 1831 puis James Clerk Maxwell qui le théorise.
La découverte de l'induction électromagnétique a conduit à l’invention desalternateurs.
2. Qu’est-ce qu’un alternateur et comment fonctionne-t-il ?
Un alternateur est composé :
- d’un élément fixe, appelérotor, constitué d’une bobine de fils ;
- d’un élément mobile, appeléstator, constitué d'un aimant.
Entraîné par une turbine, le rotor est mis en mouvement. Cela crée un courant électrique aux bornes du stator parinduction électromagnétique. Le courant électrique produit sera d'autant plus intense que le rotor tourne rapidement.
3. Comment calculer le rendement d’un alternateur ?
Un alternateur convertit donc de l’énergie mécaniquequ'il reçoit, enénergie électrique. Cependant, toute l’énergie n’est pas convertie en énergie électrique : il y a despertes d’énergie, principalement sous forme d'énergie thermique, dues aux frottements ou à l'effet Joule.
Lerendementnoté
est une grandeur qui mesure l'efficacité de la conversion d’énergie. On l'obtient en calculant la proportion d'énergie (ou de puissance) "utile" produite par le convertisseur par rapport à l'énergie (ou puissance) qu'il a reçu :
\(\eta=\frac{\text{E}_{\text{utile}}}{\text{E}_{\text{reçue}}}=\frac{\text{P}_{\text{utile}}}{\text{P}_{\text{reçue}}}\)
avec
et
\text{E}_{\text{reçue}}
tous deux en joules (J) ou en wattheures (Wh) ;
et
\text{P}_{\text{reçue}}
tous deux en watts (W).
Les alternateurs sont des convertisseurs particulièrement efficaces car leur rendement est très proche de 1.
4. Qu’est-ce qu’un semi-conducteur et en quoi la physique quantique a permis son exploitation dans les capteurs photovoltaïques ?
Un semi-conducteur est un matériauisolantqui peut devenir conducteurlorsqu'il absorbe de l'énergie, sous forme radiative par exemple. Ils sont notamment utilisés dans la fabrication descapteurs photovoltaïques qui absorbent l’énergie radiative du soleil et la convertissent partiellement en énergie électrique.
Le comportement des semi-conducteurs est une conséquence directe de laphysique quantiquequi, dès le XXesiècle, traite du comportement fondamentalement probabiliste de la nature à l’échelle de l'infiniment petit. En effet, à cette échelle, l’énergie ne peut prendre que certaines valeurs : on dit que l’énergie est quantifiée.
5. Comment choisir un semi-conducteur adapté pour un capteur photovoltaïque ?
Pour qu'un capteur photovoltaïque soit efficace, lespectre d'absorptiondu semi-conducteur utilisé doit se superposer au maximum auspectre solaire.
C’est par exemple le cas dusilicium, qui absorbe dans le domaine des ultraviolets, du visible et une partie des infrarouges.