Conversion de l énergie

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1 Conversion de l énergie I. Principes Généraux du rayonnement - La photométrie : - nature des sources lumineuses - mesure - Faisceau lumineux et étendu (angle solide) - Flux lumineux - Photométrie énergétique - Photomètres principes

2 II. Rayonnement thermique - Définition des coefficients - Loi de Kirchoff - Loi de Lambert - Corps gris et noir (loi de Wien Stephan)

3 III. Application aux mesures de rayonnement solaire - Héliographes - Pyrhéliomètres - Pyranomètres IV. Production d électricité Transport de charges et d énergie : - Effet Hall (nerst, piezoclet, supraconductivité) - Effet thermoélectronique (Seebeck, gradt; Thomson et Peltier )

4 Diffusion Porteurs : - Effet Photovoltaïque - Effet Thermoionique Bibliographie - Optique (Bruhat) - Rayonnement solaire estimations et mesures (D. Laplaze) - Physique des vibrations (Y. Rocard) - Szé - K. seeger

5 PHOTOMETRIE Le rayonnement est caractérisé par son - énergie ( W ) - fréquence ( ), ( longueur d onde ) Si le rayonnement est constitué par plusieurs fréquences, il sera caractérisé par une distribution spectrale de l énergie C. à. d. W F() ou W F() Le récepteur qui permet la mesure de l énergie peut être sensible à la fréquence du rayonnement ( récepteur photo.élect ) ou pas sensible à la fréquence ( corps noir ) soit ( ).

6 Le récepteur qui permet la mesure de l énergie peut être sensible à la fréquence du rayonnement ( récepteur photo.élect ) ou pas sensible à la fréquence ( corps noir ) soit ( ). + onde : - H z ; lumière : thermique R x ; ou cosmique + caractéristique : inchangé à la traversée des surfaces. +lumière : non compris : Phosphorescence, fluorescence ; décharge électronique + classification des grandeurs : Composition Spectrale Distribution Spatiale:

7 PRINCIPE DE MESURE EN PHOTOMÉTRIE Sources monochromatique: Rayonnement de fréquence unique et constante Sources polychromatiques: ( ou multispectrales ) Rayonnement composé de plusieurs fréquences L utilisation d un filtre monochromatique permet d obtenir un rayonnement monochromatique

8 La distribution spectrale est l intervalle de fréquences constituant le rayonnement. Deux rayonnements ont une même distribution spectrale de l énergie si : ils possèdent le même intervalle de fréquences nombre de photonsde fréquence υ des nombre de photonsdefréquence υ des n( ) n( ) = cte

9 Source étalon : Le corps noir est la source étalon de distribution spectrale énergétique connue à la température de fusion du platine ( 1773 C ) Mesure : Comparaison : - Par l œil : comparaison de l éclairement ( sensation ) - Récepteur photoélectrique : comptage du nombre de photons - Récepteur thermique (corps noir) : mesure du flux d énergie.

10 Caractérisation d un faisceau lumineux Zone de propagation et zone de réception Angle solide en coordonnées sphériques rsin cos OMrsin sin rcos ds rsin d rd ds r sin d d

11 L angle solide sous lequel de O est vue la surface élémentaire ds d ds r d sin d d m (1cos ) cos 0 m

12 Si la surface ds n est pas à OM - d sin d d cosi d ds r r r ds r cosi

13 Étendu d un faisceau Source ponctuelle en O: Tous les rayons issus de O tombent sur la surface ds (ou ds ) (récepteur). Ces rayons définissent un cône de sommet O et génératrice OB et OC. Les rayons qui tombent sur sont les mêmes que ceux qui arrivent sur ds =ds cosi

14 Source étendue : Soit une source élémentaire de surface ds centré en O. La normale ON et OM font un angle ( i ). Les surfaces étant petites, les rayons issus de P et arrivant sur ds sont les mêmes que ceux issus de p (sur la surface ds=dscosi). Alors, l angle solide d sous lequel on voit le récepteur ds du point P est le même en p. L énergie lumineuse arrivant sur le récepteur ds est proportionnelle à d et ds

15 L étendue géométrique: d i ds du cos d i ds du ) cos( Étendue optique: ) cos( ) cos( r i ds i ds du cos cos r i ds i ds du Soit :

16 Définition de l étendu optique: Un pinceau lumineux incident arrive sur un élément de surface d un dioptre qui sépare deux milieux d indice de réfraction n 1 et n. dw 1 angle solide sous lequel d un point de ds on voit la surface de la source, dw. Angle solide sous lequel d un point de ds on voit la surface du récepteur. Les étendues: dscos, 1d 1d 1 du1 sin dscos d d du sin On obtient: n 1 du1 n du Les lois de la réfraction: n 1 d d 1 1 cos d n 1 n sin n sin cos d u 1 1 représente l étendue optique du faisceau dans l espace objet et n u dans l espace image n

17 Grandeurs énergétiques relatives a une source ponctuelle B Caractère ondulatoire ( E, ) et corpusculaire ( ) du rayonnement. h -Rayonnement énergétique terme générale -Rayonnement lumineux terme particulier aux rayons appartenant au visible

18 Emittance: Une source ponctuelle centrée en O sur un élément de surface ds émet une puissance P dans l espace qui l entoure : dp M( o) ds M(O) est l émittance de la source en O

19 Flux d énergie : Soit une surface recevant une puissance rayonnée d une source O pendant un temps. L énergie reçue par cette surface est de=pdt ; P est la puissance à travers S flux énergétique à travers S ou flux lumineux si le rayonnement appartient au visible. Intensité énergétique d une source: Soit une émission par une source O d un rayonnement de puissance dp dans un angle solide dw de direction u ( OM ) dp J( u) d OM J( u) intensité énergétique

20 -Intensité lumineuse candela (cd) -Si la source est isotrope J n est pas fonction de u -Si la source n est pas isotrope : l indicatrice de la source est l ensemble des points M tel que OM J( u) u

21 Éclairement d une surface par une source ponctuelle: Soit un milieu homogène isotrope et non absorbant (à flux conservatif ) sur une surface centré en O est reçue la puissance ds E ( o ) ds J( u) d d ds r cosi E( o ) J( u) un r J( u) cos i r J J o e ax si le milieu est absorbant : Coefficient d absorption. Caractérise l absorption par le coefficient avec dp T OO T OO dp

22 Grandeur énergétique: Luminance: Soit un tube de rayonnement de direction d étendue du L élément de surface centré en O émet une puissance dp L ( o, u ) du ) ds u d d dp su L ( o, u est la luminance de la source Rayonnements appartenant au visible: dp L( o, u) cos icos i r Si L ( o, u ) ds ds formule de Lambert est indépendante de u :on a la loi de Lambert

23 Éclairement d un récepteur ds recevant le flux émis par PdE( o ) ds: d ds d Lambert: de( o ) L( o, u) d cos i Si le milieu est absorbant tenir compte de T oo En o l éclairement est : E( o ) T L( o, u) d cos i S oo

24 Emittance et luminance: d PLdS d MdS ML Luminance de la surface éclairée milieu: dp L( o, u) du S séparée par un du étendue géométrique du faisceau émergent

25 Puissance émise tenant compte de T d où : P Lu TLu en tenant compte de l invariance du faisceau optique n u n u n n Il vient: L T L Si n n L T L : Loi de Kirchhoff conservation de la luminance au facteur de transmission prés