Bilan construit - Corrigé

1. Qu’est-ce que le phénomène d’induction électromagnétique ?

L'induction électromagnétique est le nom de l'apparition d'un courant électrique aux bornes d'une bobine de fils lorsqu'un aimant est mis en mouvement à son voisinage. C'est Michael Faraday qui découvre ce phénomène en 1831 puis James Clerk Maxwell qui le théorise.

La découverte de l'induction électromagnétique a conduit à l’invention des alternateurs.

2. Qu’est-ce qu’un alternateur et comment fonctionne-t-il ? 

Un alternateur est composé :

• d’un élément fixe, appelé rotor, constitué d’une bobine de fils ;
  
• d’un élément mobile, appelé stator, constitué d'un aimant.
  

Entraîné par une turbine, le rotor est mis en mouvement. Cela crée un courant électrique aux bornes du stator par induction électromagnétique. Le courant électrique produit sera d'autant plus intense que le rotor tourne rapidement.

3. Comment calculer le rendement d’un alternateur ? 

Un alternateur convertit donc de l’énergie mécanique qu'il reçoit, en énergie électrique. Cependant, toute l’énergie n’est pas convertie en énergie électrique : il y a des pertes d’énergie, principalement sous forme d'énergie thermique, dues aux frottements ou à l'effet Joule. 

​Le rendement noté \(\eta\) est une grandeur qui mesure l'efficacité de la conversion d’énergie. On l'obtient en calculant la proportion d'énergie (ou de puissance) "utile" produite par le convertisseur par rapport à l'énergie (ou puissance) qu'il a reçu : 

 \(\eta=\frac{\text{E}_{\text{utile}}}{\text{E}_{\text{reçue}}}=\frac{\text{P}_{\text{utile}}}{\text{P}_{\text{reçue}}}\)

avec \(\text{E}_{\text{utile}}\) et `\text{E}_{\text{reçue}}` tous deux en joules (J) ou en wattheures (Wh) ;  \(\text{P}_{\text{utile}}\) et  `\text{P}_{\text{reçue}}` tous deux en watts (W).

​Les alternateurs sont des convertisseurs particulièrement efficaces car leur rendement est très proche de 1.

4. Qu’est-ce qu’un semi-conducteur et en quoi la physique quantique a permis son exploitation dans les capteurs photovoltaïques ?

Un semi-conducteur est un matériau isolant qui peut devenir conducteur lorsqu'il absorbe de l'énergie, sous forme radiative par exemple. Ils sont notamment utilisés dans la fabrication des capteurs photovoltaïques qui absorbent l’énergie radiative du soleil et la convertissent partiellement en énergie électrique.

Le comportement des semi-conducteurs est une conséquence directe de la physique quantique qui, dès le XX^e siècle, traite du comportement fondamentalement probabiliste de la nature à l’échelle de l'infiniment petit. En effet, à cette échelle, l’énergie ne peut prendre que certaines valeurs : on dit que l’énergie est quantifiée. 

5. Comment choisir un semi-conducteur adapté pour un capteur photovoltaïque ? 

Pour qu'un capteur photovoltaïque soit efficace, le spectre d'absorption du semi-conducteur utilisé doit se superposer au maximum au spectre solaire. 

C’est par exemple le cas du silicium, qui absorbe dans le domaine des ultraviolets, du visible et une partie des infrarouges.