Lumière : flux de photons
Corrections
Ex 14 p 418
Pelec = 305 W
Ncel = 60
Scel = 160 × 160 = 0.0256 m2
S = Ncel × Scel = 1.536 m2
ε = 1000 W/m2
η = Pelec / ε S = 19.9%
Ex 15 p 418
Remarque électronvolt
l'énergie cinétique acquise par un électron accéléré depuis le repos par une différence de potentiel d'un volt. Un électronvolt est égal à : 1 eV = 1,602 176 634 × 10−19 J.
- Ecmax = e × Ua = 1.60e-19 * 2.80 = 4.48e-19 J = 2.80 eV
- Ecmax = 1/2 m v2 vmax = (2 * Ecmax / me)0.5 = 9.92e5 m/s
- Eγ = Wextraction + Ecmax
- Eγ = h c / λ = 6.63e-34 * 299792458 / 171e-9 = 1.16e-18 J = 9.99 eV Wextraction = Eγ - Ecmax = 7.48e-19 J = 7.19 eV
- Eγ = h * c / λ2 = 5.68e-19 J < Wextraction
Ex 17 p 418
Type bac installation thermique
Absorption et émission de photons
Effets photoélectriques
Effet photoélectrique
Extraction d'électrons d'un métal sous effet de la lumière.
Effet photovoltaïque
Production d'un courant électrique au sein d'un matériau soumis à une radiation électromagnétique.
Bandes d'énergies : conducteurs, isolants et semi conducteurs
Dans un solide, comme dans un atome, l'énergie des électrons est quantifiée. La différence est que ce sont des bandes d'énergies qui sont autorisées, et séparées par des bandes interdites.
- Lorsqu'un matériau est dans son état fondamental, les électrons sont dans la bande de valence
- Si des électrons se situent dans la bande de conduction alors un courant électrique apparaît, du au déplacement des électrons dans le matériau.
Conducteur
Le matériau est conducteur si les deux bandes se chevauchent, les électrons circulent alors librement dans le matériau.
Isolant
Si la bande d'énergie séparant la bande de valence et la bande de conduction, appelé gap, est grande, alors le matériau est un isolant.
Semi-conducteur
Si le gap est assez faible, alors le matériau est un semi conducteur, l'absorption d'un photon d'énergie E = hν = Δ E permet à un électron de passer de la bande de valence à la bande de conduction, si l'énergie est supérieure, alors l'énergie excédentaire permet l'apparition d'un courant électrique.
Cellules photoélectriques
Cellule photoélectrique (photorécepteur)
Désigne tout dispositif dont une des propriétés électriques est modifiée lors de l'absorption de photons. Ils sont généralement constitué de matériau semi-conducteur.
Cellule photovoltaïque
Sous effet de la lumière, apparition d'une tension électrique entre ses deux faces (générateur)
Photorésistance
Dipôle dont la résistance diminue si l'intensité lumineuse reçue augmente
Photodiode
Dipôle traversé d'un courant électrique plus grand plus l'intensité lumineuse augmente
Diode électroluminescente (LED ou DEL)
Dipôle permettant de convertir de l'énergie électrique en énergie lumineuse (processus inverse de la photodiode).
L'émission d'un photon se produit lorsqu'un électron passe de la bande de conduction à la bande de valence.
Rendement d'une cellule photovoltaïque
Le rendement correspond au rapport entre la puissance électrique généré sur la puissance lumineuse fournie
η = Pelec / Plum = Eelec / Elum
La puissance lumineuse reçue correspond au produit de l'éclairement (ε en W/m2) par la surface (S en m2) de la cellule, d'où η = Pelec / ε S
Exemple
Pour déterminer le rendement d'une cellule photovoltaïque d'aire S = 20 cm2, on teste son fonctionnement en braquant sur elle une lampe de bureau d'éclairement ε = 800 W/m2.
La tension mesurée au borne de la cellule est U = 10 V et délivre un courant d'intensité I = 29 mA.
Le rendement est donc η = Pelec / ε S = UI / ε S = (10*29e-3)/(800*20e-4) = 0.18 = 18%
Spectroscopie UV-visible, IR
./data/niveaux_energie_hydrogene.pdf
Les niveaux d'énergie d'un atome ou d'une molécule étant quantifiés, les transitions énergétiques Δ E ne peuvent prendre que des valeurs particulières.
Les photons absorbés ou émis on des énergies hν particulières.
La spectroscopie est l'étude des spectres d'absorption ou d'émission d'un échantillon soumis à un rayonnement électromagnétique. En déterminant les longueurs d'onde des photons absorbés ou émis, on détermine les atomes ou liaisons moléculaires qui figurent dans l'échantillon.
UV-visible
En spectroscopie UV-visible, on soumet l'échantillon à une radiation de longueur d'onde comprise entre 10nm et 800nm. Lorsqu'un atome passe du niveau d'énergie Ei au niveau Ef, il absorbe un photon d'énergie hν = Δ E = Ef - Ei.
Quand il repasse du niveau Ei, il émet un photon de même énergie.
IR
En spectroscopie IR, on soumet l'échantillon à une radiation comprise entre 2.5 µm et 35 µm, l'énergie lumineuse se transforme en énergie de vibration ou de rotation des liaisons moléculaires.