Exercices — Deux siècles d'énergie électrique

1. La source de champ magnétique est l’aimant (le rotor) ; le fil conducteur est la bobine de cuivre (le stator). L’ingrédient indispensable est le mouvement relatif entre les deux : un aimant immobile ne produit aucun courant.

2. C’est l’induction électromagnétique, découverte expérimentalement par Faraday (1831) puis théorisée par Maxwell au XIXe siècle.

3. L’alternateur convertit de l’énergie mécanique (la rotation du rotor, fournie par une turbine, le vent, l’eau…) en énergie électrique.

4. Une oscillation par tour et 50 oscillations par seconde : le rotor doit effectuer 50 tours par seconde (soit 3 000 tours par minute). La fréquence du courant est directement liée à la vitesse de rotation du rotor — c’est pourquoi tous les alternateurs du réseau européen tournent de façon synchronisée.

Réflexe à retenir : sur un schéma d’alternateur, cherche toujours le trio aimant + bobine + mouvement relatif. C’est le savoir-faire exigible du programme.

1. Le rendement est le quotient de l’énergie électrique fournie par l’énergie mécanique reçue :

$\eta = \frac{E_{\text{électrique}}}{E_{\text{mécanique}}}$

C’est un nombre sans unité, toujours compris entre 0 et 1 (on peut aussi l’exprimer en pourcentage).

2. Application numérique :

$\eta = \frac{196}{200} = 0{,}98$

soit 98 %. C’est cohérent : le cours indique que le rendement d’un alternateur est potentiellement proche de 1 — c’est l’un des grands atouts de cette technologie.

3. Les 4 MJ manquants sont dissipés sous forme de chaleur (transfert thermique vers l’environnement). Le principal phénomène responsable est l’effet Joule : le passage du courant échauffe les fils de la bobine. Les frottements mécaniques des pièces en rotation y contribuent aussi.

Réflexe à retenir : un rendement se calcule toujours en mettant au numérateur l’énergie utile (celle qu’on cherche à produire) et au dénominateur l’énergie reçue. Si tu trouves plus que 1, cherche l’erreur !

1. Un capteur photovoltaïque ne peut convertir en électricité que la lumière qu’il absorbe. Pour produire beaucoup d’énergie, son domaine d’absorption doit recouvrir au mieux les longueurs d’onde réellement présentes dans la lumière solaire, et notamment la zone où le Soleil rayonne le plus (autour de 500 nm).

2. Le matériau A. Son domaine d’absorption (300-1 100 nm) recouvre tout le visible — dont le maximum du spectre solaire vers 500 nm — et une partie de l’infrarouge : il capte l’essentiel de l’énergie disponible. Le matériau B n’absorbe que l’ultraviolet en dessous de 380 nm, qui ne représente qu’une toute petite fraction de l’énergie solaire reçue au sol : il ferait un très mauvais capteur.

3. La mécanique quantique, qui décrit le comportement fondamentalement probabiliste de la matière à l’échelle microscopique. L’exploitation technologique des semi-conducteurs comme le silicium en est une conséquence directe : sans cette révolution conceptuelle, ni électronique ni photovoltaïque.

Réflexe à retenir : superposer les deux spectres et vérifier le recouvrement, en particulier au maximum du spectre solaire — c’est exactement le savoir-faire attendu au contrôle.

1. Puissance radiative reçue par les 200 m² :

$P_{\text{reçue}} = 1\,000 \times 200 = 200\,000\ \text{W} = 200\ \text{kW}$

Avec un rendement de 20 %, la puissance électrique maximale vaut :

$P_{\text{électrique}} = 0{,}20 \times 200 = 40\ \text{kW}$

2. La fraction couverte s’obtient en comparant production et consommation annuelles :

$\frac{44\,000}{220\,000} = 0{,}20 = 20\ \%$

L’installation couvrirait environ un cinquième de la consommation du lycée.

3. Un argument favorable : cette électricité est produite sans combustion, donc sans émission de CO₂ pendant le fonctionnement, ce qui réduit l’empreinte carbone de l’établissement (et sa facture d’électricité).

Deux points de vigilance :

• la production est intermittente : nulle la nuit, faible par temps couvert… et maximale en été, quand le lycée est fermé. Sans stockage ni revente au réseau, une partie de la production peut être perdue ;
• la fabrication des panneaux (extraction et purification du silicium) a un coût énergétique et environnemental : le bilan global doit être calculé sur toute la durée de vie, et il faut aussi anticiper le recyclage et l’investissement initial.

Réflexe à retenir : « argumenter autour d’une installation photovoltaïque » = croiser les chiffres (puissance, rendement, taux de couverture) ET les arguments qualitatifs (climat, intermittence, fabrication). Un argumentaire sans calcul ou un calcul sans argument ne suffit pas.