Fiche de révision : Induction et cellules photovoltaïques

📋 Plan du Cours

1. Induction électromagnétique de Faraday
2. Fonctionnement d’un alternateur
3. Puissance et rendement alternateur
4. Fréquence du courant produit
5. Photons et effet photoélectrique
6. Conducteurs et semi-conducteurs
7. Cellules photovoltaïques
8. Choix des matériaux photovoltaïques
9. Rendement des cellules solaires

📖 1. Induction électromagnétique de Faraday

🔑 Notions clés & Définitions

• Induction électromagnétique : Apparition d’un courant électrique dans un conducteur en mouvement par rapport à un champ magnétique.

★ À maîtriser

• Dans l’expérience de Faraday, le déplacement périodique d’une bobine à l’intérieur d’une autre bobine provoque l’oscillation du galvanomètre et l’apparition d’un courant alternatif dans la bobine voisine sans contact entre les bobines.

Compléments

• En 1831, Michael Faraday met en évidence le lien entre électricité, magnétisme et mouvement par son expérience d’induction électromagnétique.

💡 Astuce mémo

Mouvement relatif → variation du champ magnétique → courant induit

📖 2. Fonctionnement d’un alternateur

🔑 Notions clés & Définitions

• Alternateur : Dispositif de conversion d’énergie reposant sur l’induction électromagnétique et transformant une énergie mécanique en énergie électrique.

📝 Points essentiels

• Dans un alternateur, l’écoulement d’un fluide met une turbine en mouvement, la turbine entraîne le rotor aimanté et le mouvement du rotor induit un courant dans le stator conducteur.

💡 Astuce mémo

Rotor mobile, stator fixe

📖 3. Puissance et rendement alternateur

★ À maîtriser

📐 Formule - Le rendement d’un alternateur vérifie $r = \frac{P_u}{P_f}$, où $P_u$ est la puissance électrique délivrée et $P_f$ la puissance mécanique fournie.

Compléments

• Le rendement des alternateurs du barrage des Trois-Gorges est de 0,96 et la puissance électrique délivrée par un alternateur est de 660 MW.

📖 4. Fréquence du courant produit

★ À maîtriser

• Lorsque le rotor comporte un aimant et effectue un tour par seconde, le courant alternatif induit possède une fréquence de 1 Hz, tandis que deux aimants produisent une fréquence de 2 Hz pour la même vitesse de rotation.

📐 Formule - La fréquence du courant induit vérifie $f = N \times \omega$, où $N$ est le nombre d’aimants et $\omega$ la vitesse de rotation en tours par seconde.

Compléments

📐 Formule - Avec une vitesse de rotation de 0,8 tr·s⁻¹ et une fréquence électrique de 50 Hz, le rotor doit comporter 62,5 aimants selon $N = \frac{50}{0{,}8}$.

💡 Astuce mémo

Aimants × rotations → fréquence

📖 5. Photons et effet photoélectrique

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet photoélectrique : Émission d’électrons par certains matériaux exposés à des ondes électromagnétiques suffisamment fréquentes.
• Photon : Particule élémentaire correspondant au quantum d’énergie associé aux ondes électromagnétiques.

★ À maîtriser

📌 L’effet photoélectrique apparaît seulement lorsque la fréquence des ondes reçues atteint une fréquence seuil correspondant à une énergie minimale pour les électrons.

Compléments

• En 1905, Albert Einstein explique l’effet photoélectrique, une contribution pour laquelle il reçoit le prix Nobel en 1921.

💡 Astuce mémo

Fréquence seuil atteinte → énergie suffisante → électrons émis

📖 6. Conducteurs et semi-conducteurs

★ À maîtriser

📌 Un conducteur possède des électrons libres qui permettent la circulation du courant, un isolant ne possède pas d’électrons libres disponibles, et un semi-conducteur peut libérer certains électrons sous l’effet d’une excitation externe.

• Le silicium est le semi-conducteur le plus utilisé commercialement en raison de ses bonnes propriétés et de son abondance naturelle.

Compléments

• Les excitations externes capables de libérer des électrons dans un semi-conducteur comprennent notamment la lumière et la chaleur.

💡 Astuce mémo

Conducteur : électrons libres ; isolant : aucun ; semi-conducteur : libérés par excitation

📖 7. Cellules photovoltaïques

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule photovoltaïque : Dispositif formé par la jonction de deux semi-conducteurs et qui convertit l’énergie lumineuse en énergie électrique.

★ À maîtriser

• Dans une cellule photovoltaïque, des photons suffisamment énergétiques fournissent aux électrons l’énergie nécessaire pour atteindre les conducteurs de surface et circuler dans le circuit extérieur.

Compléments

• Un capteur photovoltaïque est composé d’un grand nombre de cellules photovoltaïques reliées entre elles.

💡 Astuce mémo

Des photons traversent une jonction et font circuler des électrons dans un circuit

📖 8. Choix des matériaux photovoltaïques

★ À maîtriser

• Les semi-conducteurs n’absorbent pas tous le rayonnement électromagnétique de la même manière, car leur coefficient d’absorption dépend de leur nature et de la longueur d’onde reçue.

• Les cellules multijonctions empilent plusieurs jonctions constituées de semi-conducteurs différents afin d’élargir le spectre d’absorption.

Compléments

• Le coût des matériaux comparé au silicium est le suivant :
  • germanium : quatre fois plus cher
  • phosphore d’indium : huit fois plus cher
  • arséniure de gallium : dix fois plus cher

💡 Astuce mémo

Silicium : abondant et économique ; autres semi-conducteurs : plus coûteux

📖 9. Rendement des cellules solaires

★ À maîtriser

• Les capteurs photovoltaïques principalement constitués de silicium ont un rendement d’environ 20 à 25 %.

📌 Multiplier les jonctions améliore le rendement en élargissant le spectre d’absorption par rapport à une cellule à simple jonction.

Compléments

• La production d’électricité solaire a été multipliée par 100 en quinze ans et représentait près de 4,5 % de la production mondiale d’électricité en 2022.

• La production solaire devrait atteindre 23 % de la production mondiale d’électricité en 2030 selon les accords de Paris.

📊 Tableaux de synthèse

Conducteur, isolant et semi-conducteur

Cellules photovoltaïques