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Électricité et énergie : au croisement des sciences, de l’industrie et de la société
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ENJEUX ET DÉBATS

Électricité et énergie : au croisement des sciences, de l’industrie et de la société





L’électricité est indissociable de la vie quotidienne, elle est devenue un vecteur essentiel d’énergie. Sa production, son stockage et son transport font partie des enjeux majeurs du XXIe siècle.

Quelles avancées scientifiques ont permis l’avènement de notre ère électrique ? Quelles sont les pistes aujourd’hui pour une électricité verte ?


Des quanta aux panneaux solaires

En 1900, le physicien Max Planck résout la « catastrophe ultraviolette », un des plus importants problèmes de la physique de cette époque, en proposant un modèle qui permet de décrire avec une très grande précision l’émission de rayonnement par un corps noir (modèle utilisé pour décrire le rayonnement émis par un corps). Pour établir ce modèle, il lui faut faire une hypothèse si révolutionnaire que lui-même ne croit pas à sa validité : l’énergie peut être transférée de manière non continue, par « paquets », aujourd’hui appelés quanta.
Cette hypothèse est utilisée et vérifiée quelques années plus tard par Albert Einstein pour expliquer l’effet photoélectrique : c’est la naissance de la physique quantique.
Aujourd’hui, c’est ce même effet qui est utilisé dans les panneaux photovoltaïques pour produire de l’électricité.

Des biocarburants pour la planète ?

Dans le domaine des transports, le pétrole est très largement la ressource énergétique la plus utilisée, si bien qu’un futur proche sans carburant semble impossible.
Les biocarburants synthétisés à partir de plantes peuvent toutefois représenter une alternative. En effet, leur bilan carbone est quasi nul : les émissions de CO2\text{CO}_2 lors de leur utilisation sont presque compensées par la quantité prélevée par photosynthèse lors de la pousse des végétaux.
Ce bilan carbone optimiste doit cependant être nuancé : il n’est valable que si l’on ne prend pas en compte le changement d’affectation des sols lors de la création des champs nécessaires à la formation de la biomasse des biocarburants. Lorsque cette formation se fait au détriment de forêts, de prairies ou même d’espaces attribués aux terres agricoles, elle implique une forte émission de GES.


Bio éthanol

Le nucléaire : d’hier à demain

La découverte de la fission nucléaire a entraîné une révolution énergétique : des ressources, dont la densité énergétique est près de 2 000 000 de fois plus importante que le pétrole, deviennent exploitables. C’est la raison pour laquelle les bombes utilisant cette réaction sont aussi destructrices. Mais cette utilisation de l’énergie nucléaire n’est pas sans poser problèmes, à commencer par celui des déchets.
Une piste sur laquelle les chercheurs travaillent aujourd’hui est celle de la fusion nucléaire, phénomène à l’origine de l’énergie libérée par les étoiles. La fusion nucléaire aurait l’avantage d’être plus « propre » et d’utiliser un combustible très abondant dans la nature, au contraire de l’uranium : l’hydrogène. À ce jour, la fusion nucléaire n’est pas encore opérationnelle : en effet, l’énergie libérée par la fusion est inférieure à l’énergie nécessaire pour la mettre en place.


Lise Meitner

Lise Meitner, première scientifique à expliquer théoriquement la fission nucléaire.


FOCUS
L’électromagnétisme, aux origines de l’électricité




En physique, le XIXe siècle peut être considéré comme le siècle de l’électromagnétisme. Une succession de découvertes et d'expériences, dont les travaux de James Clerk Maxwell sont le point culminant, ont donné lieu à l'une des grandes théories modernes.

➜ Quelles sont les grandes découvertes de l’électromagnétisme ? Comment ont-elles permis l’utilisation actuelle de l’électricité ?


Doc. 1
Électricité et magnétisme

Le phénomène d'électricité statique était déjà observé par les Grecs qui remarquèrent que de l’ambre frotté pouvait attirer de petits objets. En 1600, William Gilbert crée le terme latin electricus à partir du terme grec ηλϵχτρου\eta \lambda \epsilon \chi \tau \rho \omicron \upsilon, « électron », qui désigne l’ambre.
Les premières observations de magnétisme consistent en l’observation de l’attraction de morceaux de fer par certaines pierres. Le mot magnétisme provient d’ailleurs de la région Magnésie, en Asie Mineure, où plusieurs de ces pierres ont été trouvées. Jusqu’au XIXe siècle, les boussoles ont été l’unique utilisation du magnétisme.

Découvrez comment se repérer grâce au champ magnétique en cliquant ici.
Ambre

Doc. 2
Modèle de l’électromagnétisme

La création de la première pile par Alessandro Volta, puis des suivantes, a permis de nombreuses expériences dont certaines ont donné lieu à l’observation de phénomènes analogues au magnétisme.
En 1820, Hans Christian Œrsted observe le mouvement de l’aiguille d’une boussole à proximité d’un fil parcouru par un courant électrique. À sa suite, Jean-Baptiste Biot et Félix Savart décrivent mathématiquement le champ magnétique créé par un courant électrique. André-Marie Ampère quant à lui observe les propriétés magnétiques de deux fils parallèles parcourus par un courant. L’électricité permet donc de créer du magnétisme.
En parallèle, Michael Faraday met en évidence la création d’un courant électrique par le mouvement d’un aimant à proximité d’un circuit électrique fermé. Le magnétisme permet donc de créer de l’électricité.
En 1864, James Clerk Maxwell unifie les lois énoncées par ses prédécesseurs : le champ électrique et le champ magnétique sont deux facettes du même phénomène.

Cliquez ici pour apprendre comment l'électricité a été créée à partir du magnétisme.

Electromagnétisme

Œrsted présente son expérience à ses pairs.

Doc. 3
Les utilisations de l’électromagnétisme

Les travaux des physiciens sur l’électromagnétisme ont permis la création de deux générateurs de courant électrique :
    la machine dynamoélectrique ou dynamo qui génère un courant continu ;
    la machine synchrone, utilisée dans les alternateurs, qui génère un courant alternatif.

Ces deux machines ont fait l’objet d’oppositions fortes entre Thomas Edison, partisan de la machine dynamoélectrique, et Nikola Tesla, partisan et créateur de la machine synchrone.

Pour poursuivre la réflexion



➜ Comment l’électricité est-elle produite actuellement

chapitre 5


➜ Quels enjeux liés au stockage de l’énergie ?

chapitre 6


➜ Comment concilier production d’électricité et transition énergétique

chapitre 8
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