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P.535-536

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Chapitre 20


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1
Modèle corpusculaire de la lumière
(⇧)


A
Photon

La nature de la lumière fut l’objet d’un intense débat historique. Aujourd’hui, on s’accorde à dire que la lumière est à la fois une onde et un flux de photons.

Le photon est la particule élémentaire associée aux ondes électromagnétiques dont la lumière fait partie. Il n’a pas de masse et ne porte pas de charge électrique.
Dans le vide, sa vitesse est environ égale à c=3,00×108c=3{,}00 \times 10^{8} m·s-1.


Son énergie EE est égale à :

E=hν=hcλE=h · \nu=\dfrac{h · c}{\lambda}
EE : énergie du photon (J)
hh : constante de Planck égale à h=6,63×1034h=6{,}63 \times 10^{-34}J·s
ν\nu : fréquence de l’onde électromagnétique associée (Hz)
λ\lambda : longueur d'onde de l'onde (m)

B
Émission et absorption d’un photon

    • Émission
      Lorsqu’une entité chimique passe d’un niveau d’énergie initial EnE_\mathrm{n} à un état d’énergie final inférieur EmE_\mathrm{m}, alors elle émet un photon, dont l’énergie est égale à la différence d’énergie ΔE=EmEn\Delta E=\left|E_{\mathrm{m}}-E_{\mathrm{n}}\right|.
    • Absorption
      Lorsqu’une entité chimique absorbe un photon, alors son énergie passe d’un niveau d’énergie initial EmE_\mathrm{m} à un état d’énergie final supérieur EnE_\mathrm{n}.

C
Effet photoélectrique

Lorsqu’un photon entre en collision avec un électron présent dans un métal, il lui transmet son énergie et disparaît. Si cette énergie est suffisamment grande, alors l’électron est éjecté du cortège électronique de l’atome.
L’énergie minimale nécessaire pour éjecter un électron situé à la surface du métal est appelé travail d’extraction Φ\varPhi. Si l’énergie du photon est supérieure au travail d’extraction, alors le surplus d’énergie fourni est converti sous forme d’énergie cinétique EcE_\mathrm{c} acquise par l’électron.

hν=Φ+Ech · \nu=\varPhi+E_{c}
Φ\varPhi : travail d’extraction (J)
EcE_\mathrm{c} : énergie cinétique acquise par l’électron (J)


La fréquence seuil ν0\nu_0 est la fréquence minimale du rayonnement incident permettant d’extraire un électron.

ν0=Φh\nu_{0}=\dfrac{\varPhi}{h}
ν0\nu_0 : fréquence seuil (Hz)

Doc. 1
Diagramme de niveaux d’énergie

Diagramme de niveaux d’énergie

Vocabulaire


Absorption

Émission

Travail d’extraction



Absorption : l’absorption correspond au transfert d’énergie par un photon à destination d’une autre particule.

Émission : lorsqu’une entité chimique ou une molécule passe d’un certain état d’énergie à un état d’énergie inférieure, il émet un photon. Ce photon acquiert l’énergie correspondant à la différence des niveaux d’énergie initial et final.

Travail d’extraction : ce travail correspond à l’énergie nécessaire pour extraire l’électron du solide auquel il appartient.

Pas de malentendu

L’intensité d’un faisceau monochromatique dépend du nombre de photons présents dans le faisceau.
Un faisceau sera d’autant plus intense qu’il comportera un grand nombre de photons.

Donnée

  • Conversion d'unités : 11 eV =1,60×1019=1{,}60 \times 10^{-19} J

Doc. 2
Albert Einstein

Albert Einstein

Théoricien de l’effet photoélectrique, Albert Einstein est le premier physicien à avoir proposé une explication du phénomène avec le concept des photons.
Ces travaux lui valurent l’attribution du prix Nobel en 1921.

2
Applications
(⇧)


A
Cellules photovoltaïques

Les cellules photovoltaïques fonctionnent grâce à l’effet photoélectrique. Les photons reçus par les cellules transmettent leur énergie aux électrons du panneau. La fréquence du rayonnement reçu par le panneau doit être assez grande pour que l’énergie d’un photon soit au moins égale au travail d’extraction du matériau constitutif du panneau :
    • plus l’intensité du rayonnement reçu est grande, plus le nombre d’électrons mis en mouvement est important ;
    • plus la fréquence du rayonnement reçu est grande, plus la vitesse de ces électrons est grande.

Aujourd’hui, les panneaux photovoltaïques commercialisés sont majoritairement fabriqués en silicium polycristallin ou monocristallin. Ces derniers ont un rendement un peu meilleur que les premiers.

Cellules photovoltaïques

Les panneaux possèdent le grand avantage de produire de l’électricité à partir d’une ressource énergétique renouvelable : le rayonnement provenant du Soleil. Cependant, cette ressource est intermittente et il est donc souvent nécessaire de coupler les panneaux à une batterie.
De plus, les panneaux fournissent un courant électrique continu. Cette contrainte implique d’associer un onduleur pour obtenir un courant alternatif adapté à la plupart des appareils électriques d’une habitation.

B
Rendement d’une cellule photovoltaïque

Le rendement η\eta d’une cellule photovoltaïque est défini comme le rapport de la puissance électrique utile produite PuP_\mathrm{u} par la puissance lumineuse (ou radiative) reçue PrP_\mathrm{r} :

η=PuPr\eta=\dfrac{P_{\mathrm{u}}}{P_{\mathrm{r}}}
η\eta : rendement de la cellule
PuP_\mathrm{u} : puissance électrique utile (W)
PrP_\mathrm{r} : puissance lumineuse reçue (W)

La puissance radiative PrP_\mathrm{r} reçue peut être mesurée à l’aide d’un solarimètre. La puissance électrique PuP_\mathrm{u} produite peut être déterminée en traçant la courbe P=f(U)P = f(U) de la cellule. Les rendements des panneaux actuellement vendus dans le commerce sont de l’ordre de 20 %.

Doc. 3
Caractéristiques de cellules

Caractéristiques de cellules

Caractéristiques de cellules photoélectriques en fonction de la puissance lumineuse surfacique reçue φ\varphi.

Vocabulaire


Ressource énergétique renouvelable



Ressource énergétique renouvelable : ressource qui se renouvelle au moins aussi vite qu’on la consomme.

Supplément numérique

Retrouvez plus d’informations sur les matériaux semi‑conducteurs comme le silicium en cliquant ici.

Doc. 4
Panneaux photovoltaïques

panneaux photovoltaïques sur une maison

Le développement des technologies liées à la production d’énergie électrique grâce aux ressources renouvelables a connu un essor considérable depuis le début du siècle. C’est notamment le cas des panneaux photovoltaïques qui permettent aux particuliers de produire totalement ou en partie l’énergie qu’ils consomment.
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