L'énergie transportée par la lumière

La puissance transportée par la lumière

• L’irradiance (ou éclairement énergétique) quantifie la puissance d’un rayonnement électromagnétique reçu perpendiculairement à une surface.
  
  
• Elle est mesurée à l’aide d’un pyranomètre : son capteur reçoit la lumière extérieure et il indique la valeur de l’irradiance en watt par mètre carré (W.m^–2).
  
  
• L’irradiance $I$ est donc le rapport d’une puissance $P$ par une surface $S$ :

L’éclairement solaire équivaut à 1 400 W.m^–2 dans de bonnes conditions (le jour sans couverture nuageuse).

L’ordre de grandeur de la puissance lumineuse totale reçue par la Terre de la part du soleil est 10¹⁷ watts, soit une puissance moyenne de 340 W/m² au sol. L’ordre de grandeur de l’énergie reçue pendant un an est 10²⁵ J.

Environ 70 % de l’énergie est absorbée par la Terre, soit 10²⁴ J, car une part de cette énergie est réfléchie par le système Terre-atmosphère. Ceci correspond à environ 10¹⁴ tonnes d’équivalent pétrole soit 12 000 fois la consommation énergétique mondiale.

Le rayonnement laser

A) Les propriétés

Un faisceau laser est unidirectionnel, intense, monochromatique et cohérent :

• unidirectionnel : le faisceau se dirige dans une seule direction sans diverger contrairement à la lumière émise par une ampoule à incandescence, qui serait diaphragmée ;
  
  
• intense : la lumière émise est très intense, car elle se répartit sur une petite surface de l’ordre de quelques mm². Cette puissance par unité de surface importante offre au laser de nombreuses applications mais le rend dangereux pour les yeux (le faisceau laser peut entraîner une cécité irréversible en cas de vision directe) ;
  
  
• monochromatique : le laser émet une seule longueur d’onde. Le spectre d’un laser ne comporte qu’une seule radiation ;
  
  
• cohérent : la lumière produite par un laser est ordonnée dans le temps et dans l’espace.

Les puissances retenues pour un laser continu émettant dans le domaine visible sont :

• la classe 1 jusqu’à 0,39 µW ;
• la classe 2 de 0,39 µW à 1 mW ;
• la classe 3 de 1 à 500 mW ;
• la classe 4 au-delà de 500 mW.

Remarque

Plus la classe du laser augmente, plus des conditions de sécurité sont importantes.

Un faisceau laser est peu divergent et fin, il a donc une irradiance considérable.

Dans le cas d’un « stylo laser » de puissance $P=1,0~mW$ ayant un faisceau de diamètre $d=2,0~mm$, l’irradiance vaut :

$I= \frac{P}{S}$

avec $P=1,0 \times 10^{-3}~W$

et

$S=\frac{\pi \times d^2}{4}$

$S = \frac{\pi \times (2,0 \times 10^{-3})^2}{4}$

$S = 3,1 \times 10^{-6} ~m^2$,

soit $I = \frac{1,0 \times 10^{-3}}{3,1 \times 10^{-6}}$

$I=3,2 \times 10^2~W.m^{-2}$.

S’il est reçu au niveau de la pupille, focalisé sur la rétine, il peut causer des dégâts irréversibles.

B) Les applications des lasers

• En ophtalmologie : les lasers femto seconde permettent de vaporiser une partie de la cornée avant qu’un autre laser ne modifie la courbure de la cornée. Les opérations de la cataracte utilisent aussi des lasers.
  
  
• En dermatologie : il est possible de pratiquer une épilation définitive, d’enlever des tatouages ou des taches sur la peau d’un patient.
  
  
• En dentisterie : traitement des caries, en chirurgie des tissus mous, en implantologie.
  
  
• En physiothérapie : le laser facilite la guérison des tissus blessés et accélère la reconstruction des tissus tout en réduisant l’inflammation et la douleur.
  
  
• En chirurgie : le laser sert de bistouri et réduit considérablement les saignements.
  
  
• Dans l’industrie : découpe de différents matériaux rapidement et de manière précise.
  
  
• En urbanisme ou en construction : le laser permet la mesure de distances.
  
  

C) La protection contre les risques

Le symbole de danger (ci-dessous) doit être affiché sur les appareils comportant une source de lumière laser ou dans un espace où un faisceau laser risque d’être présent :

La législation française interdit l’utilisation de lasers de classe supérieure à 2 en dehors d’un cadre professionnel.

La conversion photovoltaïque

La conversion photovoltaïque est la transformation directe du rayonnement solaire en électricité dans une photopile. L’effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par Antoine Becquerel.

Une cellule photovoltaïque est un très mince disque de silicium monocristallin. On dope cette cellule avec des atomes de bore et de phosphore pour former 2 zones superposées (n) et (p). En soumettant la cellule au rayonnement solaire, une tension de l’ordre de 0,6 V apparaît entre ces zones.

Les photons incidents, entrant en collision avec les atomes de la cellule, lui cèdent leur énergie. Il apparaît un mouvement de charges électriques (d’électrons) permettant la circulation d’un courant électrique dans un récepteur branché aux bornes de la cellule.

On définit :

• le courant crête exprimé en ampère-crête (Ac) : c’est le courant maximum que peut délivrer la cellule soumise à l’irradiation maximale ;
  
  
• la puissance crête exprimée en watt-crête (Wc) : c’est la valeur maximale de la puissance électrique délivrée par la cellule soumise à l’irradiation maximale ;
  
  
• le rendement η (« éta ») de conversion : c’est le rapport de la puissance électrique délivrée sur la puissance reçue (pour une même surface).

Il existe 3 types de cellules photovoltaïques de rendements variables suivant la méthode de fabrication. Il s’agit des cellules :

• monocristallines : rendement correct (15 à 20 %) mais coût de fabrication élevé ;
  
  
• polycristallines : constituées de plusieurs cristaux, elles sont moins chères à fabriquer mais le rendement est un peu moins bon (10 à 12 %) ;
  
  
• amorphes : leur coût est faible mais le rendement l’est aussi (5 à 10 %).

En plein soleil, correspondant à une irradiation de 1 000 W par m² (en été au sud de la France), une cellule de bonne qualité peut délivrer une densité de courant de l’ordre de J = 3 A.dm^–2 soit 300 A par m².

La densité de courant J est égale au quotient du courant délivré par la surface (A.m⁻²).