Physique-Chimie Terminale Spécialité
Rejoignez la communauté !
Co-construisez les ressources dont vous avez besoin et partagez votre expertise pédagogique.
Préparation aux épreuves du Bac
1. Constitution et transformations de la matière
Ch. 1
Modélisation des transformations acide-base
Ch. 2
Analyse physique d'un système chimique
Ch. 3
Méthode de suivi d'un titrage
Ch. 4
Évolution temporelle d'une transformation chimique
Ch. 5
Évolution temporelle d'une transformation nucléaire
BAC
Thème 1
Ch. 6
Évolution spontanée d'un système chimique
Ch. 7
Équilibres acide-base
Ch. 8
Transformations chimiques forcées
Ch. 9
Structure et optimisation en chimie organique
Ch. 10
Stratégies de synthèse
BAC
Thème 1 bis
2. Mouvement et interactions
Ch. 11
Description d'un mouvement
Ch. 12
Mouvement dans un champ uniforme
Ch. 13
Mouvement dans un champ de gravitation
Ch. 14
Modélisation de l'écoulement d'un fluide
BAC
Thème 2
3. Conversions et transferts d'énergie
Ch. 15
Étude d’un système thermodynamique
Ch. 16
Bilans d'énergie thermique
BAC
Thème 3
4. Ondes et signaux
Ch. 17
Propagation des ondes
Ch. 18
Interférences et diffraction
Ch. 19
Lunette astronomique
Ch. 20
Effet photoélectrique et enjeux énergétiques
Ch. 21
Évolutions temporelles dans un circuit capacitif
BAC
Thème 4
Annexes
Ch. 22
Méthode
Chapitre 20
Cours

Effet photoélectrique et enjeux énergétiques

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  m·s-1.

Son énergie est égale à :
 : énergie du photon (J)
 : constante de Planck égale à J·s
 : fréquence de l'onde électromagnétique associée (Hz)
 : longueur d'onde de l'onde (m)

Doc. 1
Diagramme de niveaux d'énergie

Diagramme de niveaux d'énergie
Le zoom est accessible dans la version Premium.

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.

B
Émission et absorption d'un photon

  • Émission
    Lorsqu'une entité chimique passe d'un niveau d'énergie initial à un état d'énergie final inférieur , alors elle émet un photon, dont l'énergie est égale à la différence d'énergie .

  • Absorption
    Lorsqu'une entité chimique absorbe un photon, alors son énergie passe d'un niveau d'énergie initial à un état d'énergie final supérieur .

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.

Données

  • Conversion d'unités :  eV  J

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 . Si l'énergie du photon est supérieure au travail d'extraction, alors le surplus d'énergie fourni est converti sous forme d'énergie cinétique acquise par l'électron.

 : travail d'extraction (J)
 : énergie cinétique acquise par l'électron (J)
La fréquence seuil est la fréquence minimale du rayonnement incident permettant d'extraire un électron.
 : fréquence seuil (Hz)

Doc. 2
Albert Einstein

Albert Einstein
Le zoom est accessible dans la version Premium.
Crédits : Library of Congress / SPL

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
Le zoom est accessible dans la version Premium.

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.

Doc. 3
Caractéristiques de cellules

Caractéristiques de cellules
Le zoom est accessible dans la version Premium.

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

Vocabulaire

Ressource énergétique renouvelable


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

B
Rendement d'une cellule photovoltaïque

Le rendement d'une cellule photovoltaïque est défini comme le rapport de la puissance électrique utile produite par la puissance lumineuse (ou radiative) reçue  :

 : rendement de la cellule
 : puissance électrique utile (W)
 : puissance lumineuse reçue (W)
La puissance radiative reçue peut être mesurée à l'aide d'un solarimètre. La puissance électrique produite peut être déterminée en traçant la courbe de la cellule. Les rendements des panneaux actuellement vendus dans le commerce sont de l'ordre de 20 %.

Doc. 4
Panneaux photovoltaïques

panneaux photovoltaïques sur une maison
Le zoom est accessible dans la version Premium.
Crédits : Rudmer Zwerver / Shutterstock

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.

Une erreur sur la page ? Une idée à proposer ?

Nos manuels sont collaboratifs, n'hésitez pas à nous en faire part.

Oups, une coquille

j'ai une idée !

Nous préparons votre pageNous vous offrons 5 essais
collaborateur

collaborateurYolène
collaborateurÉmilie
collaborateurJean-Paul
collaborateurFatima
collaborateurSarah

Premium activé


5
essais restants
Utilisation des cookies
Lors de votre navigation sur ce site, des cookies nécessaires au bon fonctionnement et exemptés de consentement sont déposés.