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L’énergie électrique au cours des deux derniers siècles : le XXe siècle

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Quand la physique devient quantique

  • La physique quantique repose sur deux axes essentiels :
  • pour résoudre le problème du corps noir, Planck imagine qu’un atome n’absorbe pas l’énergie de manière continue mais par paquets (quanta) qui ne peuvent prendre que des valeurs discrètes (discontinues);
  • Planck introduit ainsi l’idée de quantification.
  • poursuivant ces travaux, Einstein imagine un corpuscule (une particule), sans masse mais doté d’une énergie : le photon. Il imagine donc que la lumière est à la fois onde et corpuscule, ou ni onde ni corpuscule, mais l’un ou l’autre en fonction de comment on l’étudie.
  • Einstein introduit ainsi l’idée de de la dualité onde/corpuscule.
  • La théorie de la dualité onde/corpuscule permet d’expliquer l’effet photoélectrique : un matériau exposé à la lumière peut rejeter des électrons (heurtés par les photons).
  • De Broglie va plus loin en affirmant que la dualité onde/corpuscule n’est pas valable que pour la lumière, mais aussi pour toutes les particules : pour décrire l’état de ces objets quantiques, il faut alors faire intervenir des statistiques et des probabilités.
  • La théorie de la quantification permet d’introduire l’idée que les électrons ne sont pas répartis de manière aléatoire au sein d’un atome : ils orbitent autour du noyau à des niveaux répartis de façon discrète. À chaque orbite correspondent un état et un niveau d’énergie quantifié : état fondamental (la plus faible énergie, orbite la plus proche du noyaux) et états excités.
  • Plus un électron possède de l’énergie, plus il se trouve éloigné du noyau. À partir d’un certain niveau d’énergie, il quitte l’attraction du noyau.
  • Pour changer de niveau d’énergie, un électron doit émettre (passer au niveau inférieur) ou absorber (passer au niveau supérieur) un quantum d’énergie.

Quand un isolant devient conducteur

  • Dans un solide, on ne parle plus de niveau d’énergie, mais de bandes d’énergie et de bandes interdites (gap). Comme pour celle d’un atome, la structure électronique d’un solide est fondée sur le remplissage successif des bandes d’énergie.
  • Du gap va dépendre la conductivité du matériau.

bandes d’énergie type de matériau

  • Pour qu’un solide semi-conducteur (silicium par exemple) devienne conducteur, il faut que certains électrons de la bande de valence gagnent de l’énergie (grâce à un courant électrique ou à la lumière) pour passer le gap et ainsi se retrouver dans la bande de conduction.
  • Les cellules photovoltaïques utilisent ce principe pour transformer la lumière solaire en électricité.
  • Pour rendre un semi-conducteur plus efficace, on peut augmenter sa conductivité, en procédant à un dopage N (ajout d’atomes possédant un électron de valence supplémentaire) ou à un dopage P (ajout d’atomes possédant un électron de valence en moins).
  • Ainsi, quand deux couches P et N sont mises en contact (jonction PN), les électrons en excès de la couche N vont être naturellement diffusés vers la couche P, déficitaire en électrons, et créé un champ électrique.

Quand la lumière devient électricité

  • La caractéristique de la cellule photovoltaïque correspond à la courbe représentant I=f(U)I = f(U).
  • Pour déterminer les valeurs optimales d’utilisation, on calcule la puissance électrique délivrée : P=U×IP = U \times I.
    Il est alors possible de tracer la courbe représentant la puissance en fonction de la tension : pour une utilisation optimale d’une cellule photovoltaïque, il est nécessaire de faire un compromis entre la tension et l’intensité.
  • Le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque dépend de deux paramètres difficilement compatibles :
  • la température ;
  • Une cellule photovoltaïque est d’autant plus efficace que la température est faible.
  • l’éclairement énergiétique (irradiance) ;
  • Une cellule photovoltaïque est d’autant plus efficace que l’éclairement qu’elle reçoit est important.