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Deux siècles d’énergie électrique

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Parmi les énergies, l’électricité joue un rôle majeur dans le développement économique. Produire de l’électricité sans contribuer au réchauffement climatique, en concevoir le stockage sous d’autres formes, optimiser son transport deviennent des objectifs majeurs d’une transition climatique et environnementale. L’histoire du développement des générateurs d’électricité fournit de féconds exemples d’échanges entre la science fondamentale, la technologie et l’industrie.

Depuis le XIXe siècle, les progrès de la recherche scientifique fondamentale et de l’invention technique ont conduit à développer des générateurs électriques pratiques, performants, à l’impact climatique et environnemental de moins en moins marqué. Historiquement, le développement des techniques d’obtention d’énergie électrique s’est appuyé sur des découvertes expérimentales et des avancées théoriques qui furent souvent le résultat de recherches dont ce développement n’était pas le but premier. Il est ainsi fréquent que les résultats de la recherche fondamentale aboutissent à des innovations technologiques non anticipées.

Savoirs
Les alternateurs électriques exploitent le phénomène d’induction électromagnétique découvert par Faraday puis théorisé par Maxwell au XIXe siècle. Ils réalisent une conversion d’énergie mécanique en énergie électrique avec un rendement potentiellement très proche de 1. Au début du XXe siècle, la physique a connu une révolution conceptuelle à travers la vision quantique qui introduit un comportement probabiliste de la nature. Le caractère discret des spectres de raies d’émission des atomes s’explique de cette façon. L’exploitation technologique des matériaux semiconducteurs, en particulier du silicium, en est également une conséquence. Ces matériaux sont utilisés en électronique et sont constitutifs des capteurs photovoltaïques. Ceux-ci absorbent l’énergie radiative et la convertissent en énergie électrique.

Savoir-faire
Reconnaître les éléments principaux d’un alternateur (source de champ magnétique et fil conducteur mobile) dans un schéma fourni. Analyser les propriétés d’un alternateur modèle étudié expérimentalement en classe. Définir le rendement d’un alternateur et citer un phénomène susceptible de l’influencer. Interpréter et exploiter un spectre d’émission atomique.

Comparer le spectre d’absorption d’un matériau semiconducteur et le spectre solaire pour décider si ce matériau est susceptible d’être utilisé pour fabriquer un capteur photovoltaïque. Tracer la caractéristique i(u) d’une cellule photovoltaïque et exploiter cette représentation pour déterminer la résistance d'utilisation maximisant la puissance électrique délivrée.