Lycée Viette. II. Dualité onde corpuscule

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1 Lycée Viette Aspect TSI 1 corpusculai ire de la lum mière II. Dualité onde corpuscule 1. Introduction En mécanique classique ( newtonienne ) la matière est un ensemble de points matériels appelés corpuscules donc les positions et vitesses sont définies. Elle possède un caractère corpusculaire. La lumière est une onde électromagnétique, elle possède un caractère ondulatoire. Ce caractère est vérifié par la diffraction et les interférences. Jusqu à la fin de XIX ème siècle ces deux domaines étaient disjoints. Au début du XX ème siècle, diverses expériences vont montrer la dualité onde corpuscule. 2. Dualité onde corpuscule En soumettant la surface d un métal à un rayonnement, on observe l émission d électron ( c est l effet photoélectrique ). La première constatation ( Becquerel père et fils )eu lieu en 1839 et ne fut pas expliquée. La deuxième eu lieu en 1886 par Hertz. Ce n est qu en 1905 qu Einstein proposa une explication avec le modèle corpusculaire de la lumière. Entre temps, Planck émit l hypothèse que les échanges d énergie entre lumière et matière se faisaient pas paquets ( les quantas ). En 1913 Bohr émit d idées que l énergie des atomes était quantifiées. Les électrons ne sont émis que si la fréquence de la lumière est suffisamment élevée et dépasse une fréquence limite nommée fréquence seuil Si la fréquence est inférieure à la fréquence seuil, quelque soit l intensité lumineuse, il n y a pas d émission d électron. Cette fréquence seuil dépend du matériau Le nombre d'électrons émis lors de l'exposition à la lumière est proportionnel à l'intensité de la source lumineuse ( si ν > ν seuil ) Cet effet ne peut pas être expliqué par le caractère ondulatoire de la lumière. En effet, si on considère la lumière comme une onde, en augmentant son intensité et en attendant suffisamment longtemps, on devrait pouvoir apporter suffisamment d'énergie au matériau pour en libérer les électrons. Rabeux Michel Page 1

2 L'expérience montre que l'intensité lumineuse n'est pas l'unique paramètre, et que le transfert d énergie provoquant la libération des électrons ne peut se faire qu'à partir d'une certaine fréquence. La lumière est formée d un ensemble de «grains de lumière» appelés photons ( 1926 ). Un photon est une particule de masse nulle, son énergie dépend de la fréquence de la lumière =h. avec h=6, constante de Planck. D autres expériences ( effet Compton, interférence avec une très faible intensité lumineuse ) ont confirmé le caractère corpusculaire de la lumière. La lumière possède donc un caractère ondulatoire et corpusculaire. III. Semi conducteurs 1. Description d un semi conducteur Les semi-conducteurs sont des matériaux intermédiaires entre les isolants et les conducteurs. Ce sont des cristaux constitués de silicium ( Si ) ( parfois germanium ). Contrairement aux atomes pris isolément, l énergie n est pas quantifiée, mais se présente par bande : la bande de valence et la bande de conduction. Il existe donc une bande intertide appelée gap ( bande interdite ). A faible énergie, les électrons sont dans la bande de valence. Le matériau est isolant. Lorsque l on soumet le matériau à une énergie supérieure au gap, les électrons passent dans la bande de valence et participent à la conduction électrique. Le matériau devient conducteur. Pour le silicium le gap est de 1, Dopage du semi conducteur Le dopage d un semi conducteur constitue à remplacer quelques atomes de silicium par des atomes possédant un électron de moins ( dopage P ) ou un électron de plus ( dopage N ). Le remplacement est de l ordre de un pour million. Ce dopage va faire apparaître modifier la conduction du semi conducteur. Rabeux Michel Page 2

3 3. Jonction P N Beaucoup de composants électronique ( diode, transistor, ) sont constitués de semi conducteurs dopés N et P. IIII. Cellule photovoltaïque 1. Description Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière, génère une tension électrique ( effet photovoltaïque ). La tension obtenue est de l'ordre de 0,5 V. Les cellules photovoltaïques sont constituées de semi-conducteurs à base de silicium (Si), de sulfure de cadmium (CdS) ou de tellurure de cadmium (CdTe). Une cellule photovoltaïque convertit l énergie lumineuse en énergie électrique. 2. Principe de fonctionnement La cellule photovoltaïque est fabriquée à partir de deux couches de silicium (matériau semiconducteur) La couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé N. La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé P. On obtient ainsi une jonction PN Lorsque la jonction est éclairée, les photons d énergie égale ou supérieure à la largeur de la bande interdite communiquent leur énergie aux atomes, chacun fait passer un électron de la bande de valence dans la bande de conduction et laisse aussi un trou capable de se mouvoir, engendrant ainsi une paire électron-trou. Il apparait une différence de potentiel. Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons de la zone N rejoignent les trous de la zone P via la connexion extérieure, donnant naissance à un courant. Rabeux Michel Page 3

4 3. Caractéristiques Il existe 3 types de cellules photovoltaïques, qui varient selon la qualité du silicium : les cellules monocristallines ( bloc de silicium en une seule pièce ) : le rendement est très bon (15 à 20% ) mais le coût de fabrication est élevé. 38% de part du marché les cellules polycristallines ( formées de plusieurs cristaux ) : elles sont moins chères à fabriquer mais le rendement est un peu moins bon (10 à 15% ). 52% de part du marché les cellules amorphes ( silicium amorphe ) : leur coût est très faible mais le rendement l'est aussi (5 à 10% ). 5% de part du marché Rabeux Michel Page 4

5 Caractéristique courant tension Pour une cellule monocristalline de 10x10cm, les valeurs caractéristiques sont : Icc = 3,35A Uv = 0,60V PM = 1,47 W Upm = 0,48V Ipm = 3,05A (G = 1000W/m² et θ = 25 C) Les cellules sont montées en série pour augmenter la tension et en dérivation pour augmenter l intensité. IIII. Diode électroluminescente 1. Principe de fonctionnement Une led est constitués de matériaux semi conducteurs, qui réalise une jonction P N A l inverse des cellules photovoltaïques, une led convertit l énergie électrique en énergie lumineuse. Le courant qui traverse la diode permet d alimenter la bande de conduction en électrons, la désexcitation vers la bande de valence provoque l émission de photons. La couleur des leds dépend du gap des matériaux utilisés. Le spectre d émission est étroit. Rabeux Michel Page 5

6 Matériau de la led Longueur d'onde de l'émission Couleur U directe Arséniure de Gallium 910 nm Infrarouge I.R V Arséniure au phosphore de Gallium 650 nm rouge 1.6 V Phosphore de Gallium 560 nm vert 2.4 V Carbure de Silicium 490 nm bleu 2.4 V Nitrure de Gallium 400 nm violet 2.4 V Les leds blanches sont généralement des leds bleues recouverte d un revêtement phosphoré comme pour les tubes néon. Rabeux Michel Page 6

7 2. Caractéristiques des Leds efficacité énergétique L efficacité énergétique d une led est définie par le rapport de la puissance lumineuse émise sur la puissance électrique reçue. Elle peut varier de 5% à 20% suivant le type de leds. Elle est supérieure à l efficacité énergétique d une lampe à incandescence ( 2 à 3% ). L efficacité lumineuse s exprime en lm/w ( lumen par W ) Le lumen étant l unité du flux lumineux ( 1 lm = 1 cd.sr ). durée de vie La durée de vie d une led est de l ordre de heures ( 1000 heures pour une lampe à incandescence. température de couleur ( CCT température de couleur corrélée ) Les leds blanches sont classées en fonction de leur température de couleur ( température d un corps chaud qui émettrait le même spectre ) blanc froid : CCT entre 5000 K et K ( teinte bleutée ) blanc neutre : CCT entre 3700 K et 5000 K ( proche de la lumière solaire ) blanc chaud : CCT entre 2600 et 3700 K ( proche des lampes à incandescence ) IRC ( indice de rendu des couleurs ) Cet indice définit l aptitude d une lampe à nous faire distinguer les couleurs. La valeur maximale de l IRC est 100. La lumière solaire a un rendu de 100. Rabeux Michel Page 7

8 Les lampes à incandescence ont un rendu proche de 100. Pour les leds, l RRC est situé entre 75 et 90. Lorsque vous êtes sur un parking de supermarché la nuit ou sous un tunnel, vous êtes éclairés par une lumière rouge orangée d'irc particulièrement bas (de l'ordre de 25). Par conséquent lorsque vous regardez les carrosseries, les couleurs ne sont pas bien rendues. En d'autres thermes, les couleurs ne ressortent pas comme en plein jour. Rabeux Michel Page 8

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