L'énergie et les ondes

$\bullet\quad$Cette fiche de cours fait appel aux connaissances sur les ondes électromagnétiques, la puissance et l'énergie.

$\bullet\quad$À l'issue, les aspects suivants devront être connus :

$\quad\circ\quad$ Utiliser un appareil pour déterminer ou mesurer une irradiance ;

$\quad\circ\quad$ Calculer la puissance reçue par une surface ;

$\quad\circ\quad$ Citer les principales caractéristiques de la lumière émise par un laser ;

$\quad\circ\quad$ Effectuer expérimentalement le bilan énergétique d'un panneau photovoltaïque.

I. Puissance transportée par la lumière et irradiance

1. La lumière, un spectre d'ondes électromagnétiques

$\bullet\quad$La lumière transporte de l'énergie sous forme d'ondes électromagnétiques. Cela a été en classe de première dans la fiche de cours suivante :

Les ondes électromagnétiques

$\bullet\quad$En fonction de la valeur de sa fréquence (voire de la valeur de sa longueur d'onde), une onde électromagnétique appartient à un domaine spécifique :

_{Spectre électromagnétique (d'après UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3,0)}

$\bullet\quad$Remarques :

$\quad\circ\quad$ Le domaine de la lumière visible (entre $400$ et $800~nm$) ne constitue qu'un cas particulier des ondes électromagnétiques et ne représente qu'une infime partie de ce spectre. Pour ce domaine, on aura tendance à parler d'onde lumineuse.

$\quad\circ\quad$ La lumière blanche est un mélange de toutes les radiations visibles.

$\quad\circ\quad$ Contrairement au son ($20 ~ Hz \lt f \lt 20 ~ kHz$), les domaines de fréquence de la lumière visible sont beaucoup plus élevés : $f \approx 5 \cdot 10^{14} ~ Hz$.

2. Notion d'irradiance

$\bullet\quad$Définition :

L'irradiance (ou éclairement énergétique) est définie comme la puissance lumineuse reçue par unité de surface. Elle est exprimée en watts par mètre carré ($W \cdot m^{-2}$) :

$\boxed{\text{E ou I} = \dfrac{P \text{ ou } \Phi}{S}}$

avec

$\quad\circ\quad$ $\text{E ou I}$ est l'irradiance (en $W \cdot m^{-2}$) ;

$\quad\circ\quad$ $S$ est la surface (en mètres carrés, $m^2$) ;

$\quad\circ\quad$ $P$ est la puissance reçue (en watts, $W$).

$\bullet\quad$Remarque : la puissance transportée par une onde électromagnétique à travers une surface est également appelée flux énergétique.

$\bullet\quad$L'irradiance peut être mesurée à l'aide d'appareils spécifiques comme un pyranomètre ou un solarimètre.

_{Exemple de pyranomètre}

$\bullet\quad$Remarque : la puissance reçue par une surface peut donc être calculée en utilisant la formule suivante :

$P = E \times S$

$\bullet\quad$Exemple :

Si une surface de $1~m^2$ reçoit une irradiance de $1000~W \cdot m^{-2}$, la puissance reçue par cette surface sera de $1000~W$.

II. Lumière émise par un laser

1. Notion et propriétés d'un laser

$\bullet\quad$Un laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) est un dispositif qui émet une lumière cohérente, monochromatique et directionnelle. La lumière laser est produite par l'émission stimulée de photons.

$\bullet\quad$Plus en détail, les principales caractéristiques de la lumière laser sont :

$\quad\circ\quad$ Monochromaticité : la lumière laser est généralement d'une seule longueur d'onde, donc d'une seule couleur.

$\quad\circ\quad$ Cohérence : les ondes lumineuses émises sont en phase, ce qui signifie qu'elles ont une relation fixe entre leurs amplitudes et leurs phases.

$\quad\circ\quad$ Directivité : le faisceau laser est très directionnel, ce qui signifie qu'il diverge très peu.

$\quad\circ\quad$ Puissance (ou flux énergétique) : les lasers peuvent émettre une lumière de très haute puissance. La relation entre l'énergie reçue par un système, le flux énergétique et la durée d'exposition :

$\boxed{E = \Phi \times \Delta t}$

$\quad$où :

$\quad\quad\Rightarrow$ $E$ est l'énergie reçue en joules ($J$) ;

$\quad\quad\Rightarrow$ $\Phi$ est le flux énergétique (ou puissance reçue) en watts ($W$) ;

$\quad\quad\Rightarrow$ $\Delta t$ est la durée d'exposition en secondes ($s$).

$\bullet\quad$La réglementation applicable dépend de la classification des lasers (à ne pas connaître par cœur) :

$\quad\circ\quad$ Classe 1 : lasers intrinsèquement sans danger ;

$\quad\circ\quad$ Classe 2 : lasers à rayonnement visible (pour une puissance inférieure ou égale à $1~mW$). La protection de l'œil est assurée par le réflexe  palpébral (fermer les paupières, cligner des yeux) ;

$\quad\circ\quad$ Classe 3 : lasers de puissance moyenne (puissance inférieure à $5~mW$). Vision directe dangereuse si elle est supérieure à $0,25~s$ ou effectuée à travers un instrument d'optique ;

$\quad\circ\quad$ Classe 3b : lasers dont la vision directe est toujours dangereuse (puissance comprise entre $5$ et $500~mW$). Ces lasers sont potentiellement dangereux si un faisceau direct ou un faisceau réfléchi est regardé par l’œil non protégé ;

$\quad\circ\quad$ Classe 4 : lasers toujours dangereux en vision directe ou diffuse, créant des lésions cutanées et oculaires (puissance supérieure à $500~mW$). Ils constituent aussi un danger d'incendie. Exposition dangereuse au rayonnement direct ou diffus pour l'œil et la peau.

2. Protection contre les risques associés à l'utilisation d'un laser

$\bullet\quad$Comme cela a été vu précédemment, l'utilisation de lasers comporte des risques, notamment pour les yeux et la peau :

$\quad\circ\quad$ Risques oculaires : une exposition directe à un faisceau laser peut endommager la rétine et causer des brûlures ;

$\quad\circ\quad$ Risques cutanés : les lasers de forte puissance peuvent provoquer des brûlures de la peau.

$\bullet\quad$Mesures de protection :

$\quad\circ\quad$ Porter des lunettes de protection adaptées lors de l'utilisation de lasers ;

$\quad\circ\quad$ Éviter l'exposition directe au faisceau laser ;

$\quad\circ\quad$ Respecter les consignes de sécurité fournies par les fabricants ;

$\quad\circ\quad$ Utiliser des équipements de protection individuelle (EPI) appropriés.

3. Utilisation des lasers

$\textcolor{purple}{\text{a. Utilisation des lasers dans la recherche}}$

$\bullet\quad$En recherche, les lasers sont utilisés pour des applications variées :

$\quad\circ\quad$ Spectroscopie : étude des interactions entre la lumière et la matière ;

$\quad\circ\quad$ Métrologie : mesures précises de distances et de temps ;

$\quad\circ\quad$ Physique des particules : accélération et détection de particules ;

$\quad\circ\quad$ Chimie : étude des réactions chimiques à l'échelle moléculaire.

$\bullet\quad$Exemple :

Les lasers sont utilisés dans les laboratoires pour étudier les propriétés des matériaux et des molécules.

$\textcolor{purple}{\text{b. Utilisation des lasers dans l'industrie}}$

$\bullet\quad$Dans l'industrie, les lasers sont utilisés pour des applications variées :

$\quad\circ\quad$ Découpe et soudage : découpe précise de matériaux et soudage de pièces ;

$\quad\circ\quad$ Gravure : marquage et gravure de surfaces ;

$\quad\circ\quad$ Mesure et alignement : mesures précises de distances et d'alignements ;

$\quad\circ\quad$ Fabrication additive : impression 3D de pièces métalliques ou plastiques.

$\bullet\quad$Exemple :

Les lasers $CO_2$ et les lasers à fibre sont couramment utilisés pour la découpe de métaux et de plastiques.

$\textcolor{purple}{\text{c. Utilisation des lasers en médecine}}$

$\bullet\quad$En médecine, les lasers sont utilisés pour des applications variées :

$\quad\circ\quad$ Chirurgie : opérations précises et non invasives ;

$\quad\circ\quad$ Dermatologie : traitement des problèmes de peau, épilation ;

$\quad\circ\quad$ Ophtalmologie : correction de la vue (LASIK) ;

$\quad\circ\quad$ Dentisterie : traitements dentaires et blanchiment des dents.

$\bullet\quad$Exemple :

En ophtalmologie, les lasers sont utilisés pour corriger les défauts de vision comme la myopie et l'hypermétropie.

$\textcolor{purple}{\text{d. Utilisation des lasers au quotidien}}$

$\bullet\quad$Dans le quotidien, les lasers sont utilisés pour des applications variées :

$\quad\circ\quad$ Lecteurs de codes-barres : dans les supermarchés et les bibliothèques ;

$\quad\circ\quad$ Lecteurs Blu-ray et DVD : pour la lecture des disques optiques ;

$\quad\circ\quad$ Télécommunications : transmission de données par fibres optiques ;

$\quad\circ\quad$ Imprimantes laser : pour l'impression de documents.

$\bullet\quad$Exemple :

Les lecteurs Blu-ray utilisent des lasers pour lire les informations stockées sur les disques.

$\textcolor{purple}{\text{e. Applications futures des lasers}}$

$\bullet\quad$Les lasers ont un potentiel énorme pour des applications futures :

$\quad\circ\quad$ Fusion nucléaire : utilisation de lasers pour initier des réactions de fusion (comme le projet Mégajoule en France) ;

$\quad\circ\quad$ Communications spatiales : transmission de données sur de longues distances dans l'espace ;

$\quad\circ\quad$ Médecine personnalisée : traitements médicaux adaptés aux besoins spécifiques des patients.

III. Conversion Photovoltaïque

1. Effet photoélectrique

$\textcolor{purple}{\text{a. Introduction}}$

$\bullet\quad$L'effet photoélectrique est un phénomène physique dans lequel des électrons sont émis par un matériau, généralement un métal, lorsqu'il est exposé à la lumière ou à un autre rayonnement électromagnétique d'une certaine fréquence.

$\bullet\quad$C'est en $1839$ qu'est découvert l’effet photoélectrique par le physicien français Antoine Becquerel (le grand-père du découvreur de la radioactivité).

$\bullet\quad$Lorsqu'un rayonnement électromagnétique (correspondant à un flux de photons) frappe la surface d'un matériau, elle peut transférer son énergie aux électrons de ce dernier. Si l'énergie de la lumière est suffisante, elle peut arracher des électrons de sa surface.

$\textcolor{purple}{\text{b. Applications industrielles de l'effet photoélectrique}}$

Les applications industrielles actuelles mettant en jeu l’interaction photon-matière sont les suivantes :

$\bullet\quad$Les capteurs de lumière : ils sont utilisés dans les appareils photo et les systèmes de sécurité ;

$\bullet\quad$Les cellules photovoltaïques : elles sont utilisées pour faire de la conversion de l'énergie solaire en électricité ;

$\bullet\quad$Les lampes à diodes électroluminescentes (LED) : elles sont utilisées pour un éclairage efficace et durable, en remplacement des ampoules à incandescence (à filament ou halogènes) ou bien fluo-compacte, plus consommatrices en électricité ;

$\bullet\quad$Spectroscopies UV-visible et IR : elles sont des techniques analytiques pour identifier les substances chimiques.

2. La cellule photovoltaïque : fonctionnement et principe

$\textcolor{purple}{\text{a. Principe et historique}}$

$\bullet\quad$L’effet photovoltaïque permet la transformation de l’énergie lumineuse en électricité.

$\bullet\quad$Les premières applications ont lieu dès les années $60$ avec l’équipement de satellites spatiaux. Puis à partir de $1970$, à la suite de la première crise pétrolière, les premières applications sur Terre apparaissent.

$\textcolor{purple}{\text{b. Fonctionnement d'une cellule photovoltaïque}}$

$\bullet\quad$Une cellule photovoltaïque, également connue sous le nom de cellule solaire, est un dispositif qui convertit directement la lumière du soleil en électricité grâce à l'effet photovoltaïque.

$\bullet\quad$La plupart des cellules photovoltaïques sont fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs (qui peuvent conduire l'électricité dans certaines condition), le plus souvent du silicium.

$\bullet\quad$Une cellule photovoltaïque typique est composée de deux couches de silicium : une couche dopée avec des atomes qui ont un électron de plus que le silicium (généralement du phosphore), créant une couche de type $N$ (négative), et une autre couche dopée avec des atomes qui ont un électron de moins que le silicium (généralement du bore), créant une couche de type $P$ (positive). La zone où les couches de type $N$ et de type $P$ se rencontrent est appelée la jonction $P-N$.

$\bullet\quad$Lorsque la lumière du soleil frappe la cellule photovoltaïque, elle est absorbée par le matériau semi-conducteur. L'énergie de la lumière (composée de photons) est transférée aux électrons de valence en excès dans la couche $N$, les excitant et les libérant de leurs atomes pour venir combler le déficit d'électrons de la couche $P$. Les photons absorbés créent donc des paires électron - trou (= lacune d'électron). À la jonction $P-N$, un champ électrique est créé en raison de la diffusion des électrons de la couche $N$ vers la couche $P$ et des trous (= lacunes d'électrons) de la couche $P$ vers la couche $N$.

$\bullet\quad$Le champ électrique à la jonction $P-N$ sépare les électrons et les trous, envoyant les électrons vers la couche $N$ et les trous vers la couche $P$. Cela crée une différence de potentiel (tension) entre les deux couches.

$\bullet\quad$Des contacts métalliques sur les couches $N$ et $P$ permettent de collecter les électrons et les trous. Lorsque la cellule est connectée à un circuit externe, les électrons circulent à travers le circuit, créant un courant électrique continu. Il permet donc de produire de l'électricité utilisable pour alimenter des appareils électriques ou être stockée dans des batteries (pour une utilisation ultérieure).

$\textcolor{purple}{\text{c. Rendement d'une cellule}}$

$\bullet\quad$La puissance par $m^2$ du rayonnement solaire reçu à la surface de la Terre est de l’ordre de $1000~W/m^2$, valeur dépendant de la latitude, de la saison et des conditions météorologiques.

$\bullet\quad$La puissance des installations est exprimée en watt-crête ($\text{Wc}$). Le watt-crête est la puissance fournie par un module photovoltaïque pour un ensoleillement normalisé de $1000~W/m^2$ à une température de $25^oC$.

$\bullet\quad$Le rendement d’une cellule photovoltaïque est le rapport entre la puissance électrique produite par cette cellule et la puissance lumineuse reçue sur sa surface :

$\boxed{\eta = \dfrac{P_{\text{électrique produite}}}{P_{\text{lumineuse reçue à sa surface}}}}$

$\Longleftrightarrow \eta = \dfrac{U \times I}{E \times S}$

$\quad\circ\quad$ $U$ la tension délivrée par la cellule (en $V$) ;

$\quad\circ\quad$ $I$ l’intensité du courant délivrée par la cellule (en $A$) ;

$\quad\circ\quad$ $E$ l'énergie lumineuse reçue sur la surface de la cellule (en $W/m^2$) ;

$\quad\circ\quad$ $S$ la surface de cette cellule (en $m^2$).

$\bullet\quad$ Courbe caractéristique d'une cellule photovoltaïque :

$\bullet\quad$Facteurs influençant le rendement :

$\quad\circ\quad$ Matériau de la cellule : différents matériaux semi-conducteurs ont des rendements différents. Par exemple, les cellules en silicium monocristallin ont généralement un rendement plus élevé que celles en silicium polycristallin.

$\quad \Longrightarrow$ Les cellules photovoltaïques commerciales ont généralement un rendement compris entre $15 \%$ et $22\%$ ;

$\quad \Longrightarrow$ Les cellules à haut rendement, comme celles utilisées dans les applications spatiales, peuvent atteindre des rendements de plus de $40 \%$ ;

$\quad \Longrightarrow$ Ces faibles rendements sont dus aux pertes (réflexion des rayons incidents, pertes par effet Joule, etc.) et au fait que la sensibilité de la cellule ne couvre pas la totalité du spectre du rayonnement solaire (le seuil de conduction déterminé par une énergie de $1,1~eV$ pour le silicium cristallin, correspondant à une fréquence de $266~THz$, soit un rayonnement infrarouge).

$\quad\circ\quad$ Conditions d'ensoleillement : l'intensité et le spectre de la lumière solaire peuvent affecter le rendement.

$\quad\circ\quad$ Température : les cellules photovoltaïques peuvent voir leur rendement diminuer à des températures élevées.

$\bullet\quad$Application en TP :

Pour effectuer le bilan énergétique d'un panneau photovoltaïque en TP, il faut mesurer :

$\quad\circ\quad$ L'irradiance reçue par le panneau ;

$\quad\circ\quad$ La puissance électrique produite par le panneau ;

$\quad\circ\quad$ Le rendement du panneau peut ensuite être calculé en utilisant la formule mentionnée précédemment.

$\bullet\quad$Exemple :

$\circ\quad$ Si un panneau photovoltaïque reçoit une irradiance de $1000 W \cdot m^{-2}$ et produit une puissance électrique de $150~W$ avec une surface de $1~m^2$, son rendement sera de $15\%$.

_{= Merci à gbm pour avoir contribué à l'élaboration de cette fiche =}