Fiche de révision : Deux siècles d’énergie électrique

📋 Plan du Cours

1. Conservation et formes de l’énergie
2. Énergies primaires de stock et de flux
3. Des premières expériences à la pile
4. Induction et essor de l’électricité
5. Semi-conducteurs et électronique moderne
6. Alternateur et rendement énergétique
7. Cellules photovoltaïques
8. Batteries et comparaison des dispositifs

📅 Repères chronologiques

1. 1785Coulomb établit la loi d’interaction entre les électricités.
2. 1800Volta reprend les expériences de Galvani et invente la pile, un générateur électrique capable de fonctionner en continu.
3. 1820Œrsted découvre qu’un conducteur parcouru par un courant crée un champ magnétique.
4. 1830Faraday découvre qu’un aimant en mouvement, donc un champ magnétique variable, peut produire un courant électrique par induction électromagnétique.
5. 1833L’invention du télégraphe électrique permet de transmettre des signaux électriques et des informations codées sur de longues distances.
6. 1879T. Edison réalise la lampe à incandescence.
7. 1880Des usines de production d’électricité commencent à être construites, notamment la centrale de Saint-Moritz en Suisse.
8. 1897J. Thomson découvre l’électron.
9. 1900Des composants appelés tubes électroniques sont conçus pour entretenir ou amplifier un signal électrique.
10. 1947Le premier transistor est inventé ; ce composant permet de réaliser des opérations avec du courant électrique.

📖 1. Conservation et formes de l’énergie

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie électrique : L’énergie due, à notre échelle, au mouvement d’ensemble d’entités électriquement chargées, comme les ions et les électrons.
• Énergie mécanique : L’énergie qu’un objet possède, à notre échelle, en raison de sa vitesse, de sa position ou de sa déformation.

★ À maîtriser

• L’énergie est une grandeur mesurée en joules qui se conserve : elle ne disparaît pas et ne surgit pas de rien, mais se convertit d’une forme à une ou plusieurs autres.

📌 L’énergie liée à l’altitude et à la déformation est stockable, tandis que l’énergie électrique ne se stocke pas en grande quantité et durablement.

📌 L’énergie nucléaire est présente entre les particules du noyau atomique et est libérée lors de transformations nucléaires, tandis que l’énergie chimique est présente dans les liaisons entre atomes et est libérée lors de certaines réactions, notamment les combustions.

Compléments

📌 L’énergie thermique traduit l’agitation microscopique des atomes et des molécules : plus leur vitesse est grande, plus la température est élevée, et le transfert thermique ne peut pas être stocké.

• L’énergie rayonnante est transmise par les ondes, notamment électromagnétiques comme la lumière, les ultraviolets, l’infrarouge, les rayons X et gamma et les ondes hertziennes, et ne peut pas être stockée.

• L’énergie nucléaire et l’énergie chimique sont stockables, respectivement parce que des atomes et des espèces chimiques comme le bois ou le pétrole peuvent être stockés.

📖 2. Énergies primaires de stock et de flux

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie primaire : Une énergie directement disponible dans la nature, parfois utilisable directement, comme le bois ou le vent, mais qui nécessite généralement des transformations avant son transport et son utilisation.
• Énergie de stock : Stockable, mais dont la quantité sur Terre est finie.
• Énergie de flux : Une source inépuisable à l’échelle humaine, mais dont la quantité disponible à un instant donné dépend de la nature.

📝 Points essentiels

• Les énergies de stock comprennent :

  • les combustibles fossiles : gaz, pétrole et charbon
  • le combustible nucléaire
  • certaines formes de biomasse comme la tourbe

• Les énergies de flux comprennent :

  • l’énergie solaire
  • l’énergie éolienne
  • l’énergie hydraulique
  • l’énergie marine
  • l’énergie géothermique
  • la biomasse

• La quantité d’énergie de flux disponible varie dans le temps et est liée au cycle des saisons.

💡 Astuce mémo

Le stock est fini mais stockable ; le flux se renouvelle mais varie selon la nature.

📖 3. Des premières expériences à la pile

★ À maîtriser

• Au XVIIIe siècle, des scientifiques européens établissent qu’il existe deux types d’électricité, positive et négative, et que deux électricités opposées s’attirent.

Compléments

• Les phénomènes d’électrisation, observés notamment avec les poissons électriques et l’ambre frottée, sont connus depuis l’Antiquité.

• Les machines à frottement produisent des arcs électriques brefs et puissants, mais sont des générateurs discontinus qui doivent être rechargés après usage.

• La bouteille de Leyde permet de stocker très temporairement l’électricité produite par les expériences électrostatiques.

• Dans les années 1790, Luigi Galvani observe que les pattes de grenouilles mortes bougent sous l’effet de l’électricité et attribue le phénomène à une électricité « animale ».

• La pile permet de convertir l’énergie chimique en énergie électrique.

💡 Astuce mémo

Frottement → Leyde → Galvani → pile de Volta

📖 4. Induction et essor de l’électricité

★ À maîtriser

• L’induction électromagnétique permet de convertir l’énergie mécanique en énergie électrique.

• À la fin du XIXe siècle, les éléments scientifiques et techniques nécessaires à la production, au transport, à la conversion et à la distribution de l’électricité sont réunis, marquant une seconde révolution industrielle où l’électricité se substitue au charbon et favorise l’essor des communications.

Compléments

• Ampère reprend l’expérience d’Œrsted et commence à construire une théorie établissant le lien entre électricité et magnétisme.

• Le moteur électrique convertit l’énergie électrique en énergie mécanique, tandis qu’une lampe à incandescence convertit l’énergie électrique en énergie rayonnante.

• Le transport d’électricité est testé en Europe sur 14 km en août 1883, puis sur 80 km en 1884.

💡 Astuce mémo

Champ magnétique variable → induction → conversion mécanique-électricité

📖 5. Semi-conducteurs et électronique moderne

★ À maîtriser

📌 L’électronique à l’état solide, fondée sur les semi-conducteurs, est plus petite et moins gourmande en énergie que l’électronique à tubes.

Compléments

• Les semi-conducteurs supplantent progressivement les tubes électroniques à partir des années 1950, à mesure que progresse la connaissance de la matière à petite échelle.

• Dès 1960, le circuit intégré miniaturise les composants d’un circuit sur un seul support et contribue à l’essor de l’informatique.

• L’histoire de l’électricité montre que le progrès scientifique est collectif et que sa mise en œuvre dépend aussi des inventeurs, ingénieurs, constructeurs, investisseurs, de la législation, de la demande et de la concurrence des techniques anciennes ou concurrentes.

📖 6. Alternateur et rendement énergétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Alternateur : Convertisseur d’énergie mécanique en énergie électrique fondé sur le principe de l’induction découvert par Faraday en 1831.

★ À maîtriser

• Dans un alternateur, la rotation d’un aimant permanent ou d’un électroaimant à l’intérieur d’une bobine provoque l’apparition d’un courant électrique dans les fils.

📌 Dans un alternateur, le stator est la partie fixe où apparaît le courant, tandis que le rotor est la partie mobile qui crée en tournant un champ magnétique variable.

📐 Formule - La puissance est l’énergie échangée ou convertie par unité de temps : $P = \frac{E}{t}$, avec P en watts, E en joules et t en secondes.

📐 Formule - Le rendement d’un convertisseur est le rapport de l’énergie utile à l’énergie reçue, ou de la puissance utile à la puissance reçue : $\eta = \frac{E_{utile}}{E_{reçue}} = \frac{P_{utile}}{P_{reçue}}$.

Compléments

• Le rotor est le plus souvent entraîné par une turbine, mais dans de rares cas la bobine tourne à la place de l’aimant fixe, ce qui inverse rotor et stator.

• Le rendement d’un alternateur est proche de 1.

📌 Le rendement d’un convertisseur est compris entre 0 et 1, ou entre 0 % et 100 %, et ne peut atteindre 100 % en raison des limites imposées par les lois de la physique.

• Un alternateur recevant 1900 MW et fournissant 1800 MW a un rendement de 0,947, soit 94,7 %.

• Un alternateur produit du courant alternatif.

💡 Astuce mémo

La rotation du rotor crée un champ magnétique variable, qui induit un courant dans le stator.

📖 7. Cellules photovoltaïques

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule photovoltaïque : Constituée par la jonction de deux semi-conducteurs, l’un dopé N avec un excès d’électrons mobiles et l’autre dopé P avec un déficit d’électrons mobiles.
• Puissance de crête : Puissance électrique maximale qu’une cellule photovoltaïque peut fournir, notée Pmax et exprimée en watts, et qui dépend fortement des conditions d’utilisation.

★ À maîtriser

• Sous l’action de la lumière, les électrons mobiles gagnent assez d’énergie pour quitter leur atome ; leur transfert dans le circuit extérieur entraîne l’apparition d’un courant électrique.

• Une cellule photovoltaïque convertit l’énergie rayonnante en énergie électrique.

Compléments

📌 La puissance maximale d’une cellule photovoltaïque augmente avec l’éclairement et diminue lorsque la température augmente.

• La plupart des cellules photovoltaïques sont à base de silicium et leur rendement est compris entre 10 et 25 %.

📌 Un matériau semi-conducteur utilisable en photovoltaïque doit avoir un spectre d’absorption qui recouvre une partie du spectre du rayonnement incident.

• Une cellule recevant 11 W de puissance lumineuse avec un rendement de 18 % fournit une puissance électrique de 1,9 W.

• Une cellule photovoltaïque fournit un courant continu.

💡 Astuce mémo

Le dopage N apporte des électrons mobiles, tandis que le dopage P en présente un déficit.

📖 8. Batteries et comparaison des dispositifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Batterie : Dispositif rechargeable, contrairement à une pile.

★ À maîtriser

• Le rendement des batteries dépend de leur technologie et varie de 60 à 95 %, tout en dépendant aussi des conditions d’utilisation, notamment de la température et de la pression.

Compléments

• Le rendement d’une pile est souvent inférieur à 50 %.

• Une batterie ou une pile fournit un courant continu.

• Une batterie fournissant 2 W à un appareil avec un rendement de 75 % prélève une puissance chimique de 2,7 W.

• Les batteries sont simples à mettre en œuvre et offrent une bonne autonomie, mais leur rendement peut être faible, leur production dépend des conditions d’utilisation, elles nécessitent une recharge et des matériaux rares, et leur filière de recyclage est encore en construction.

• Les cellules photovoltaïques fonctionnent de manière autonome et ont une durée de vie de 15 à 20 ans, mais leur rendement est faible, leur production dépend de l’ensoleillement, de la température et des poussières, elles nécessitent une surface importante et des matériaux rares, et leur filière de recyclage est encore en construction.

• Les alternateurs présentent les avantages et inconvénients suivants : excellent rendement, technologie maîtrisée, énergie mécanique nécessaire en amont, installation coûteuse à l’échelle industrielle

💡 Astuce mémo

Batterie rechargeable, pile non rechargeable.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des convertisseurs