Chap. N° 20

La lumière : un flux de photons
Cours
Exercices


 
 

 

I- La lumière.

1)- Modèle ondulatoire : Rappels et compléments.

a)-L’onde électromagnétique.

b)-Les domaines d’application.

2)- Modèle particulaire.

II- L’effet photoélectrique.

1)- Description de l’effet photoélectrique :

2)- Énergie d’un photon.

3)- Bilan énergétique et interprétation à l’aide du modèle particulaire.

III- L’absorption ou l’émission de photons.

1)- Émission et absorption de photons.

2)- Absorption de photons et cellule photoélectrique.

3)- Émission de photons et diodes électroluminescentes (DEL).

IV- Applications.

1)- Rendement d’une cellule photovoltaïque.

2)- QCM.

QCM réalisé avec le logiciel Questy

Pour s'auto-évaluer

La lumière : un flux de photons

Effet photoélectrique

L’absorption ou l’émission de photons

Sous forme de tableau

3)- Exercices :

Préparation à l'ECE :   Rendement d'une cellule Photovoltaïque.

DS 

Transfert quantique d'énergie et dualité onde-corpuscule

 

Exercices : énoncé avec correction.

Préparation à l'ECE :   Rendement d'une cellule Photovoltaïque.

 

DS

1)- Exercice 03 page 416 : Connaître l’effet photoélectrique.

2)- Exercice 05 Page 416 : Interpréter l’effet photoélectrique.

3)- Exercice 07 page 416 : Réaliser un bilan d’énergie.

4)- Exercice 09 page 417 : Calculer des rendements.

5)- Exercice 13 page 417 : Conservation de l’énergie.

6)- Exercice 15 page 418 : Énergie cinétique des électrons.

7)- Exercice 17 page 419 : Comparaison de l’effet photovolaïque.

8)- DS 01 : Effet photovoltaïque et panneaux photovoltaïques (60 min)

9)- Préparation à l’ECE : Rendement d’une cellule photovoltaïque.


QCM réalisé avec le logiciel Questy

Pour s'auto-évaluer

La lumière : un flux de photons

Effet photoélectrique

L’absorption ou l’émission de photons

Sous forme de tableau

haut

I- La lumière.

  Lumière : Ondes et particules

1)- Modèle ondulatoire : Rappels et compléments.

haut

a)-  L’onde électromagnétique.

-  La lumière a une nature ondulatoire.

-  On parle de l’onde lumineuse.

-  L’onde lumineuse résulte de la propagation d’une perturbation électromagnétique dans les milieux transparents.

-  Les ondes lumineuses périodiques sont appelées des radiations.

-  Contrairement aux ondes mécaniques, la propagation des ondes lumineuses ne nécessite pas de support matériel.

-  La lumière peut se propager dans le vide.

-  La lumière est une onde transversale : la direction de propagation est perpendiculaire à la direction de la perturbation.

 

-  L’onde lumineuse résulte de la propagation simultanée d’une perturbation électrique et d’une perturbation magnétique.

-  Dans le vide ou dans les milieux transparents homogènes, la lumière se propage en ligne droite.

-  Une radiation lumineuse est caractérisée par :

-  Sa fréquence ν (en Hz) ou sa période T (en s).

-  Sa longueur d’onde dans le vide λ0.

-  Remarque :

-  La fréquence d’une radiation lumineuse ne dépend pas du milieu de propagation alors que la longueur d’onde dépend du milieu de propagation.

  Relation fondamentale :

 

λ0 : longueur d’onde dans le vide (m)

c : vitesse de la lumière dans le vide (m . s–1)

T : période (s)

ν : fréquence (Hertz)

-  Remarque : pour les radiations lumineuses, on préfère utiliser la lettre grecque ‘’nu’’.

-  De manière générale, on caractérise une radiation lumineuse par sa longueur d’onde dans le vide.

-  Complément : l’œil humain n’est sensible qu’à certaines radiations lumineuses.

-  La vitesse d’une onde lumineuse dépend du milieu de propagation comme la longueur d’onde λ.

-  La fréquence ν et ainsi la période T ne dépendent pas du milieu de propagation.

-  Dans le milieu d’indice n :

 

-  λ = v . T

-  Dans le vide :

-  λ0 = c . T

-  On en déduit :

-  λ0 = n . λ

-  Dans les milieux transparents, la lumière se déplace moins vite que dans le vide.

-  La vitesse de la lumière dans l’air est peu différente de celle dans le vide.

-  Comme valeur approchée dans l’air et le vide, on choisit la valeur suivante :

cair c 3,00 × 108 m / s

haut

b)-  Les domaines d’application.

-  Le domaine de radiations lumineuses visibles s’étend de 400 nm (violet) à 780 nm (rouge).

-  Domaine de longueurs d’onde correspondant :

400 nm ≤ λ ≤ 780 nm

-  Spectre des ondes électromagnétiques :

-  Le spectre des ondes électromagnétiques est découpé, de façon arbitraire, en divers domaines.

-  Le document suivant, donne des exemples de rayonnements dans divers domaines du spectre électromagnétique.

 

-  On remarque que la lumière visible ne représente qu’une infime partie du spectre électromagnétique.

 

haut

2)- Modèle particulaire.

-  Les phénomènes de diffraction et d’interférences de la lumière s’expliquent par les propriétés ondulatoires de la lumière.

-  En 1900, Max PLANCK fut conduit à postuler la quantification de l’énergie transportée par les ondes électromagnétiques.

-  Il postule que l’énergie électromagnétique ne peut s’échanger que par « paquets » ou quanta d’énergie.

-  En 1905, Albert EINSTEIN émet l’idée que ces quanta d’énergie sont transportés par des particules.

-  On parle de modèle particulaire de la lumière.

-  En 1926, Gilbert NEWTON invente le mot « photons pour nommer ces quanta.

-  Les photons sont des particules de masse nulle et de charge nulle se propageant à la vitesse de la lumière.

haut

II- L’effet photoélectrique.

1)- Description de l’effet photoélectrique :

-  En 1887, le physicien allemand H. HERTZ met au point un oscillateur hautes fréquences.

-  Grâce à des étincelles produites entre deux petites sphères en laiton très proches, le dispositif émet des ondes électromagnétiques.

-  H. HERTZ réceptionne à quelques mètres de là ces ondes à l’aide d’un fil conducteur en forme de boucle ou de rectangle ouvert avec également deux boules de laiton à chacune de ses extrémités.

 

-  Il observe des étincelles de faible intensité lumineuse entre les boules de laiton du récepteur.

-  Cette expérience couronne la théorie de l’Écossais J.C. MAXWELL établie en 1865 sur le comportement ondulatoire des ondes électromagnétiques.

-  Afin de mieux voir les étincelles au niveau du récepteur, H. HERTZ place le récepteur dans l’obscurité.

Il constate alors que l’intensité lumineuse des étincelles est encore plus faible.

-  Il en déduit que la lumière émise par les étincelles de l’émetteur, plus précisément les rayonnements ultraviolets, a un impact sur les étincelles du récepteur.

-  H. HERTZ vient de mettre en évidence l’effet photoélectrique.

-  S’il identifie la cause du phénomène observé, il ne sait pas l’interpréter.

-  Historique :

-  Dans les années qui suivent l’expérience de H. HERTZ, différents travaux consistent à éclairer un métal par un rayonnement ultraviolet.

On obtient les résultats suivants :

Expérience avec l’électroscope :

-  On charge négativement un électroscope sur lequel on a posé une lame de zinc (Zn) décapée et amalgamée avec du mercure (Hg).

 

-  On éclaire la lame de zinc avec une lampe U.V.

-  On remarque que l’électroscope se décharge rapidement.

 

-  La lame de zinc, au départ, est chargé négativement.

-  Elle possède un excès d’électrons.

-  Si elle se décharge, c’est que des électrons ont été arrachés au métal

-  C’est l’effet photoélectrique.

-  L’énergie nécessaire à l’extraction des électrons est fournie par la lampe UV.

Extraction des électrons :

-  En 1888, Wilhelm HALLWACHS constate qu’une plaque de zinc éclairée par de la lumière ultraviolette se charge positivement.

Il en conclue que les rayonnements ultraviolets arrachent des particules négatives que l’on appellera des électrons.

-  Entre 1889 et 1895, Julius ELSTER et Hans GEITEL établissent un classement des métaux vis-à-vis de ce phénomène.

-  En 1900, Philipp LENARD montre que des particules négatives sont arrachées d’une plaque métallique sous l’effet de la lumière.

Ces particules sont les électrons découverts en 1897 par Joseph John THOMSON.

-  Le nombre d’électrons arrachés est proportionnel à l’intensité lumineuse du rayonnement.

-  L’énergie cinétique des électrons arrachés est indépendante de l’intensité lumineuse du rayonnement.

-  L’énergie cinétique augmente lorsque la fréquence de la lumière incidente augmente.

-  Le modèle ondulatoire de la lumière ne permet pas d’expliquer ces différentes observations.

-  En 1905, pour expliquer l’effet photoélectrique, A. EINSTEIN propose un aspect particulaire pour la lumière.

-  Chaque particule possède une énergie : E = h . υ.

-  Cette particule sera appelée photon quelques années plus tard.

-  A. EINSTEIN explique que l’énergie du photon sert en partie à arracher l’électron de l’atome, le reste étant emporté par l’électron sous forme d’énergie cinétique.

-  Ce résultat sera démontré expérimentalement par le physicien américain R. MILLIKAN (1868–1953) onze ans plus tard

et la communauté scientifique mettra quelques années de plus à accepter la notion d’aspect particulaire de la lumière.

-   En 1921, A. EINSTEIN obtiendra le prix Nobel de physique pour cette découverte.

-  En 1926, Gilbert NEWTON nomme « photons » les particules de lumière porteuses de ces quanta d’énergie.

  L’effet photoélectrique :

-  C’est le phénomène d’éjection d’électrons d’un métal sous l’effet de radiations lumineuses.

-  Pour un métal donné, cet effet ne se manifeste que pour des photons d’énergie suffisamment grande.

-  L’effet est quasiment instantané.

-  Il se manifeste si l’énergie du photon est supérieure au travail d’extraction d’un électron du métal Wextraction.

-  L’énergie excédentaire est emportée par l’électron sous forme d’énergie cinétique.

-  Tableau de quelques valeurs :

 Z

Matériau

Travail d’extraction

Wextraction

Z = 6

Carbone

5,0 eV

Z = 11

Sodium

2,7 eV

Z = 14

Silicium

4,8 eV

Z = 29

Cuivre

4,7 eV

Z = 30

Zinc

3,6 eV

Z = 47

Argent

4,3 eV

Z = 79

Or

5,1 eV

 

  Le photon :

-  La lumière peut être décrite comme un flux de photons.

-  Un photon possède une masse nulle et se propage à la célérité c de la lumière dans le vide.

c = 299 792 458 m . s–1

haut

2)- Énergie d’un photon.

-  L’énergie de la lumière est transportée par des photons qui présentent un aspect particulaire et un aspect ondulatoire.

-  L’énergie d’un photon est donnée par la relation :

-  E = h . n

-  L’énergie E représente l’aspect particulaire du photon.

-  La fréquence n représente son aspect ondulatoire.

-  Pour une onde électromagnétique de fréquence n et de longueur d’onde λ dans le vide,

-  On peut écrire :

Relation de PLANCK-EINSTEIN :

 

h

La grandeur h est la constante de Planck :

 h = 6,626 × 10–34 J . s

n

La fréquence n en hertz (Hz)

λ

La longueur d’onde dans le vide λ en mètre (m)

c

La célérité de la lumière dans le vide :

c = 3,00 × 108 m . s – 1

E

Énergie E en joule (J) ou électronvolt (eV)

1 eV = 1,60 × 10–19 J

-  Cette relation met en évidence le caractère à la fois :

-  Particulaire : photon, particule de masse nulle et d’énergie Ephoton.

-  Ondulatoire : fréquence ν, longueur d’onde λ.

-  On parle de dualité onde-corpuscule.

  Remarque 1 :

-  Plus la longueur d’onde associée au photon est grande est plus l’énergie qu’il transporte est petite.

-  Plus la longueur d’onde est grande et plus la fréquence du photon est petite.

-  Plus la fréquence du photon est grande et plus l’énergie associée au photon est grande.

  Remarque 2 :

-  Pour un métal donné, l’effet photoélectrique se produit lorsque la longueur d’onde de la radiation mise en jeu est inférieure à une longueur d’onde de seuil λS.

-  La fréquence ν de cette radiation est alors supérieure à la fréquence de seuil νS.

-  L’énergie de chaque photon associé à cette radiation lumineuse est alors suffisante pour arracher un électron du métal,

Elle est supérieure au travail d’extraction d’un électron du métal Wextraction.  : On observe alors l’effet photoélectrique.

haut

3)- Bilan énergétique et interprétation à l’aide du modèle particulaire.

  Le métal solide :

-  Un métal solide est un assemblage compact et ordonné d’atomes.

  Exemple : cristal de cuivre :

 

-  Le cuivre cristallise dans le système cubique à faces centrées.

-  Les atomes qui le constituent sont proches les uns des autres.

-  Leurs électrons, et en particulier les électrons périphériques, sont soumis à des interactions de la part de tous les noyaux environnants.

-  Pour certains électrons périphériques, les interactions avec les noyaux des atomes voisins sont si fortes qu’ils sont libérés de leur atome initial :

-  Ce sont les électrons libres que l’on appelle aussi électrons de conductions.

-  Ce sont ces électrons qui assurent la cohésion du cristal.

-  Ils se dépassent dans toutes les directions de façon désordonnée.

-  Un courant électrique dans un métal est dû à un déplacement d’ensemble ordonnée de ces électrons libres.

  Travail d’extraction : Wextraction.

-  L’énergie minimale qui permet d’arracher un électron d’un métal est égale au travail à fournir pour extraire un électron libre proche de la surface du métal.

-  Cette énergie est appelée travail d’extraction, notée Wextraction.

-  Elle diffère d’un métal à un autre. C’est une grandeur caractéristique d’un métal.

-  Si l’énergie du photon est supérieure au travail d’extraction Wextraction, l’excédent d’énergie est emporté par cet électron sous forme d’énergie cinétique.

-  L’arrachage d’autres électrons nécessite une plus grande énergie.

-  Pour une même radiation lumineuse, l’énergie de l’électron arraché est plus faible.

-  En conclusion :

-  L’énergie cinétique d’un électron arraché est maximale pour un électron libre proche de la surface du métal.

-  Schéma :

 

-  Équation de conservation de l’énergie : Équation d’EINSTEIN de l’effet photoélectrique.

-  photon = Wextraction + Cmax

-  Avec :

-  photon = h . υphoton  et

-  

-  Tableau :

photon = Wextraction + Cmax

 

υphoton

La fréquence du photon en hertz (Hz)

Wextraction

Travail d’extraction en joule (J) ou électron-volt (eV)

1 eV = 1,60 × 10–19 J

me

Masse de l’électron : me = 9,109 × 10–31 kg

vmax

Vitesse maximale de l’électron

en mètre par seconde (m . s–1)

h

Constante de Planck :

h = 6,626 × 10–34 J . s

-  Énergie cinétique maximale des électrons en fonction de la fréquence υphoton du photon incident :

-  Cas du potassium et du béryllium :

 

-  On remarque que lors de l’effet photoélectrique, l’énergie cinétique maximale ℰCmax augmente avec la fréquence υ des photons incidents.

-  Le coefficient directeur a de chaque droite permet de retrouver la constante de Planck h.

-   a = h

-  L’équation d’EINSTEIN de l’effet photoélectrique explique chaque aspect de l’effet photoélectrique comme l’augmentation de l’énergie cinétique maximale des électrons arrachés en fonction de la fréquence du photon incident.

-  Si la lumière apportait progressivement l’énergie nécessaire pour l’extraction des électrons du métal, comme le prévoir la théorie ondulatoire, il faudrait éclairer le métal pendant une durée suffisante pour y parvenir.

-  Or pour que le phénomène ait lieu, il faut que l’énergie apportée par le photon soit suffisante.

Elle doit être supérieure à un seuil d'énergie caractéristique du métal.

-  Il faut que le niveau d'énergie apportée par le photon soit suffisant.

-  Lorsque l’énergie apportée par le photon est suffisante, le phénomène a lieu quasi instantanément.

-  Si l’énergie apportée par le photon incident est insuffisante alors le phénomène n’a pas lieu.

En conclusion :

-  Pour que l’effet photoélectrique se produise, il faut que la fréquence des électrons soit supérieure la fréquence seuil υS.

-  Comme

-  Il faut que la longueur d’onde λ, du photon incident, soit inférieure à la longueur d’onde seuil λS.

-  C’est la longueur d’onde maximale au-delà de laquelle il n’est pas possible d’arracher les électrons libres du métal.

-  Si λ > λS. alors υ < υS et l’énergie transportée par le photon (E = h . υ < h . υS) est inférieure à l’énergie minimale permettant d’arracher un électron libre à la surface du métal.

  Modèle particulaire de la lumière :

-  La lumière est un flux de photons.

-  Cette description permet d’expliquer l’effet photoélectrique que l’on ne peut pas expliquer par le phénomène ondulatoire.

-  La lumière présente une dualité onde-corpuscule.

-  La lumière peut être décrite de manière :

-  Corpusculaire par la propagation de photons.

-  Ondulatoire par la propagation d’une onde électromagnétique.

haut

III- L’absorption ou l’émission de photons.

1)- Émission et absorption de photons.

  Lumière : Ondes et particules

  Émission d’un photon par un atome.

-  Dans ce cas, Einitial > Efinal

-  L’atome perd de l’énergie en émettant un photon.

-  Sur un diagramme d’énergie, on représente cette transition par une flèche verticale orienté vers le bas.

 

-  L’énergie libérée est égale à la différence d’énergie entre les deux niveaux :

-  ΔE = | Efinal Einitial |

-  Cette énergie est transportée par un photon :

-  Ephoton = ΔE = | Efinal Einitial | = h . ν

-  La fréquence ν découle de la différence d’énergie ΔE = | Efinal Einitial |

-  Si cette fréquence appartient au domaine du visible, elle correspond alors à une raie colorée dans le spectre d’émission de l’atome.

  Absorption d’un photon par un atome.

-  Dans ce cas, Einitial < Efinal

-  L’atome gagne de l’énergie en absorbant un photon.

-  Sur un diagramme d’énergie, on représente cette transition par une flèche verticale orienté vers le haut.

 

-  L’énergie absorbée est égale à la différence d’énergie entre les deux niveaux :

-  ΔE = | Efinal Einitial |

-  Cette énergie est transportée par un photon :

-  Ephoton = ΔE = | Efinal Einitial | = h . ν

-  La fréquence ν découle de la différence d’énergie ΔE = | Efinal Einitial |

-  L’absorption d’énergie lumineuse par un atome ne peut se faire que si l’énergie du photon permet une transition d’un niveau Einitial à un niveau supérieur Efinal tel que :

-  Efinal Einitial = h . ν

-  Si cette fréquence ν appartient au domaine du visible, elle correspond alors à une raie noire dans le spectre de la lumière blanche.

  Exemple spectre d’émission et d’absorption de l’atome de sodium :

 

  En conclusion :

-  Chaque entité chimique possède son propre diagramme d’énergie.

-  Il est ainsi possible d’identifier une entité chimique (atome, molécule ou ion) à partir de son spectre d’émission ou d’absorption.

-  Les radiations émises ou absorbées sont caractéristiques d’un atome car elles dépendent des niveaux d’énergie de cet atome.

-   l’atome d’hydrogène

 

haut

2)- Absorption de photons et cellule photoélectrique.

 

  Cellule photoélectrique :

-  Une cellule photoélectrique est formée d’une ampoule où règne le vide, qui comprend :

-  Une photocathode susceptible de subir l’effet photoélectrique,

-  Une anode dont le rôle est d’accélérer et de collecter les électrons émis grâce à un rayonnement.

-  Photo :

 

-  Représentation symbolique :

 

-  Schéma :

 

-  La tension U appliquée entre la cathode et l’anode permet d’accélérer les électrons éjectés grâce au rayonnement qui possède la fréquence adaptée.

-  Les électrons éjectés sont soumis à la force électrique :

-   

-  Plus généralement, une cellule photoélectrique est un dispositif dont une propriété électrique est modifiée lors de l’absorption de photons.

-  On utilise des matériaux semi-conducteurs pour réaliser des cellules photoélectriques.

  La cellule photovoltaïque :

-  Les cellules photovoltaïques exploitent l’effet photoélectrique pour produire un courant continu par absorption d’un rayonnement solaire.

-  Une telle cellule convertit directement l’énergie lumineuse des photons en énergie électrique.

-  Pour fabriquer de telles cellules, on utilise des semi-conducteurs.

  Principe de fonctionnement :

-  Une cellule photovoltaïque est composée de 2 types de matériaux semi-conducteurs :

-  L’un des matériaux présente un excès d’électrons, elle est dite dopée de type n (comme négatif)

-  et l’autre un défaut d’électrons, elle est dite dopée de type p (comme positif)

-  Exemple :

-  Un atome de silicium, Si (Z = 14), possède 4 électrons sur sa couche électronique externe (…3s23p2)

-  L’une des couches de la cellule est dopée avec des atomes de phosphore,

-  L’atome de phosphore, P (Z = 15), possède 5 électrons sur sa couche électronique externe (3s23p3).

-  Il possède donc 1 électron de plus que l’atome de silicium.

-  On dit que cette couche a subi un dopage de type n (elle présente un excès d’électrons)

-  L’autre couche est dopée avec des atomes de bore,

-  L’atome de bore, B (Z = 5), possède 3 électrons sur sa couche électronique externe (2s22p1).

-  On dit que cette couche a subi un dopage de type p (elle présente un défaut d’électrons)

-  Lorsque la première couche est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau dopé n diffusent dans le matériau dopé p.

-  Lorsque des photons percutent un semi-conducteur comme le silicium, ils arrachent des électrons et créent ainsi des trous positifs dans le semi-conducteur.

-  Les trous positifs ainsi créés sont comblés par d’autres électrons qui créent eux aussi des trous positifs et ainsi de suite.

-  Les autres électrons se mettent en mouvement, de façon désordonnée, à la recherche d’autres trous positifs où se repositionner.

-  Il se crée un mouvement d’électrons et de trous positifs de façon désordonnée.

-  Pour créer un courant électrique, il faut que tous les électrons se déplacent dans le même sens de façon ordonnée.

-  Pour réaliser ce phénomène, la face exposée au Soleil de la cellule photovoltaïque est dopée avec des atomes de phosphore P et l’autre face est dopée avec des atomes de bore B.

-  Ce système constitué des deux couches se comporte comme une pile :

-  Le côté dopé de type n devient la borne négative (N)

-  L’autre côté dopé de type p devient la borne positive (P)

-  Entre les deux couches se crée un champ électrique

-  Sous l’effet des photons, les électrons vont migrer vers la couche N sous l’effet du champ électrique  alors que les trous positifs vont migrer vers la couche P.

-  Les électrons sont récupérés par des contacts électriques déposés à la surface des deux zones afin d’aller vers le circuit extérieur sous forme d’énergie électrique.

-  Un courant électrique est ainsi créé.

-  Il est dû à la double migration des électrons et des trous positifs se déplaçant en sens inverse.

-  Schéma :

 

Ou

 

 

-  Représentation symbolique d’une cellule photovoltaïque :

 

-  Panneau photovoltaïque :

 

   Rendement d’une cellule photovoltaïque :

-  Le rendement η d’une cellule photovoltaïque est le rapport de la puissance exploitable sur la puissance en entrée.

- De façon générale :

 

η sans unité

Pexploitable en watt (W)

Pentrée en watt (W)

ou

-  Le rendement η d’une cellule photovoltaïque est le rapport de l’énergie exploitable sur l’énergie en entrée.

- Cas du panneau photovoltaïque :

 

-  Avec les notations précédentes :

 

η

Grandeur sans unité :  0 < η ≤ 1

Pélectrique

Puissance exploitable : Puissance électrique en watt (W)

Plumineuse

Puissance en entrée : Puissance lumineuse en watt (W)

-  On peut aussi utiliser les énergies :

 

η

Grandeur sans unité :  0 < η ≤ 1

électrique

Énergie exploitable : Énergie électrique en joule (J)

lumineuse

Énergie en entrée : Énergie lumineuse en joule (J)

-  Le rendement des cellules photovoltaïques est faible, de l’ordre de 10 %, mais l’énergie lumineuse est inépuisable à notre échelle.

     Autres cellules photoélectriques :

-  La photorésistance :

 

 Les lois de l'électricité

-  Une photorésistance (LDR : Light Dependent Resistor) est un composant électronique dont la résistance varie en fonctionne de la quantité de lumière reçue.

-  La résistance de ce dipôle diminue d’autant plus que la lumière qu’il reçoit est intense.

-  Photodiode :

  

-  C’est un dipôle dont l’intensité qui le traverse est d’autant plus grande que la lumière qu’il reçoit est intense.

-  Dans l’obscurité, la caractéristique de la photodiode est identique à celle d’une diode ordinaire.

-  En pleine lumière, elle conduit le courant en sens inverse.

-  L’intensité du courant inverse dépend de l’éclairement.

-  Si l’éclairement augmente, l’intensité du courant inverse augmente en valeur absolue.

-  Une information lumineuse peut être convertie en un signal électrique grâce à une photodiode.

-  L’intensité du courant dépend également de la longueur d’onde de la lumière reçue.

-  Les photodiodes sont utilisées dans les capteurs CCD ou CMOS que l’on trouve dans les capteurs des appareils photographiques.

 

Numérisation de l'information

 

 Appareil photonumérique

haut

3)- Émission de photons et diodes électroluminescentes (DEL).

-  Une diode électroluminescente (DEL) est un dipôle dont le passage du courant électrique dans sa structure semi-conductrice entraîne l’émission de photons.

-  C’est un dipôle optoélectronique

-  Elle utilise le phénomène de l'électroluminescence.

-  La fréquence de la lumière émise dépend de la nature du semi-conducteur utilisé.

-  Représentation symbolique :

 

 

-  Les DEL font partie des dispositifs d’éclairage les plus performants du point de vue énergétique.

-  Contrairement aux ampoules à incandescence, la DEL ne possède pas de filament.

-  Elles convertissent très peu d’électricité en quantité de chaleur.

-  Le rendement d’une DEL est voisin de 50 %.

-  C’est un composant qui est de plus en plus utilisé dans différents domaines :

-  L’éclairage, les téléviseurs, les écrans d’ordinateurs, ….

haut

IV- Applications.

 

1)- Rendement d’une cellule photovoltaïque.  

Application  

haut

2)- QCM.

QCM réalisé avec le logiciel Questy

Pour s'auto-évaluer

La lumière : un flux de photons

Effet photoélectrique

L’absorption ou l’émission de photons

Sous forme de tableau

haut

3)- Exercices.

 

Exercices : énoncé avec correction.

Préparation à l'ECE :   Rendement d'une cellule Photovoltaïque.

DS

1)- Exercice 03 page 416 : Connaître l’effet photoélectrique.

2)- Exercice 05 Page 416 : Interpréter l’effet photoélectrique.

3)- Exercice 07 page 416 : Réaliser un bilan d’énergie.

4)- Exercice 09 page 417 : Calculer des rendements.

5)- Exercice 13 page 417 : Conservation de l’énergie.

6)- Exercice 15 page 418 : Énergie cinétique des électrons.

7)- Exercice 17 page 419 : Comparaison de l’effet photovolaïque.

8)- DS 01 : Effet photovoltaïque et panneaux photovoltaïques (60 min)

9)- Préparation à l’ECE : Rendement d’une cellule photovoltaïque.

 

haut