Terminale Enseignement Scientifique

1. $m = \dfrac{N_2}{N_1}$ A.N. $m = \dfrac{115}{500} = \pu{0,23}$

2. $U_2 = m, U_1$ A.N. $U_2 = \pu{0,23} \times \pu{1000 V} = \pu{230 V}$

3. On sait que $P_1 = U_1 , I_1$, donc $I_1 = \dfrac{P_1}{U_1}$. A.N. $I_1 = \dfrac{\pu{11,5e3 W}}{\pu{1000 V}} = \pu{11,5 A}$

4. $I_2 = \dfrac{I_1}{m}$ A.N. $I_2 = \dfrac{\pu{11,5 A}}{\pu{0,23}} = \pu{50 A}$

D’où provient l’énergie communiquée au secondaire ?

Si on note $P_2$ la puissance délivrée au niveau du circuit secondaire, $P_2 = U_2, I_2$. A.N. $P_2 = \pu{230 V} \times \pu{50 A} = \pu{11,5e3 W}$

L’énergie fournie au secondaire en sortie du transformateur est égale à l’énergie fournie par le circuit primaire.

Soient $r_1$, $r_2$ et $r_3$ les rendements de conversion des centrales nucléaires, d’acheminement de l’électricité et de conversion de l’énergie par la bouilloire. Alors,

• $r_1 = \dfrac{E_{\text{sortie centrale}}}{E_{\text{nucléaire}}}$
• $r_2 = \dfrac{E_{\text{sortie prise élec}}}{E_{\text{sortie centrale}}}$
• $r_3 = \dfrac{E_{\text{thermique}}}{E_{\text{sortie prise élec}}}$.

On donc

• $E_{\text{sortie centrale}} = r_1 \, E_{\text{nucléaire}}$
• $E_{\text{sortie prise élec}} = r_2 \, E_{\text{sortie centrale}}$
• $E_{\text{thermique}} = r_3 \, E_{\text{sortie prise élec}}$.

Ces relations entraînent

• $E_{\text{thermique}} = r_3 \, E_{\text{sortie prise élec}}$
• puis $ E_{\text{thermique}} = r_3 \, r_2 \, E_{\text{sortie centrale}}$
• et finalement $ E_{\text{thermique}} = r_3 \, r_2 \, r_1 \, E_{\text{nucléaire}}$.

Comme le rendement global a pour définition : $r = \dfrac{r_3 \, E_{\text{sortie prise élec}}}{E_{\text{nucléaire}}}$, $$r = r_3 \, r_2 \, r_1$$

A.N. $r = \pu{0,30} \times \pu{0,94} \times \pu{0,85} = \pu{0,24}$. Le rendement global est de 24 %.

L’effet Joule a plusieurs inconvénients dans le transport de l’électricité. En effet, il est une perte d’énergie sous forme thermique (chaleur), l’élévation de température peut endommager le réseau (en entraînant la fusion des gaines par exemple) ou entraîner des incendies (depuis les boîtiers situés sur les pylônes). Bien évidemment, la perte d’énergie représente en elle-même un problème.

• STEP : l’énergie est stockée sous la forme d’énergie mécanique (énergie potentielle de pesanteur).

• Accumulateur : l’énergie est stockée sous la forme d’énergie chimique.

• Supercondensateur : l’énergie est stockée sous la forme d’énergie électromagnétique.

1. Si on note $P_f$ la puissance fournie par l’eau au barrage, on a : $$ r = \dfrac{P_u}{P_f} $$ On peut donc en déduire que $$ P_f = \dfrac{P_u}{r} = \dfrac{\pu{300 MW}}{\pu{0,82}} = \pu{366 MW} $$
2. Si on note $r$ le rendement global, $r_e$ le rendement de l’ensemble des autres éléments et $r_{alt}$ le rendement de l’alternateur, l’énoncé nous dit que ces grandeurs sont reliées par la relation : $$ r = r_e \cdot r_{alt} $$ On a donc aussi : $$ r_{alt} = \dfrac{r}{r_e} = \dfrac{\pu{0,82}}{\pu{0,85}} = \pu{0,96} $$ Le rendement de l’alternateur vaut 96 %.
3. Les pertes électriques proviennent des frottements de l’eau sur la conduite forcée et des frottements dans l’alternateur.

1. Pour le capteur 1, graphiquement : $U_1 = \pu{4,0 V}$ et $I_1 = \pu{1,3 A}$
   Pour le capteur 2, graphiquement : $U_2 = \pu{3 V}$ et $I_2 = \pu{1,7 A}$
2. La puissance délivrée par le capteur 1 est : $P_1 = U_1 \cdot I_1 = \pu{4,0 V} \times \pu{1,3 A} = \pu{5,2 W}$.
   La puissance délivrée par le capteur 2 est : $P_2 = U_2 \cdot I_2 = \pu{3,0 V} \times \pu{1,8 A} = \pu{5,1 W}$.
   On peut considérer que ces 2 capteurs délivrent la même puissance.
3. Pour le capteur 1 : $I_{CC1} = \pu{1,6 A}$ et $U_{CO1} = \pu{4,8 V}$.
   Pour le capteur 2 : $I_{CC2} = \pu{2,0 A}$ et $U_{CO2} = \pu{3,4 V}$.

1. Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d’un isolant, mais pour lequel un apport d’énergie extérieur (photons) peut permettre à des électrons de contribuer au courant électrique, en franchissant le gap d’énergie du matériau. La conductivité électrique d’un semi-conducteur est donc intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants et elle augmente avec la température.
2. Les pérovskites ont un maximum d’absorbance dans la partie visible du spectre électromagnétique (400 nm à 800 nm).
3. L’utilisation commune des pérovskites et du silicium permet de couvrir une bande plus large du spectre électromagnétique (visible et proche IR) et donc d’augmenter le rendement du capteur photovoltaïque.

1. • UV : $\lambda < \pu{380 nm}$ (la limite inférieure n’apparaît pas clairement selon moi. En fait le domaine des UV s’étend jusqu’à une longueur d’onde de $\pu{10 nm}$).
   • IR : $\pu{25 \mu m} > \lambda > \pu{780 nm}$.
2. • Courbe A : absorption dans l’UV et dans l’IR
   • Courbe B : absorption dans l’IR
   • Courbe C : absorption dans le visible

   Une cellule transparente absorbe dans l’UV et l’IR mais pas dans le visible. La courbe A correspond à une telle propriété.

3. a. Soit $P_f$ la puissance fournie sous forme de rayonnement. Si on note $E$ la puissance surfacique que reçoit la cellule, $P_f = E \cdot S$ où $S$ est la surface que la cellule présente au rayonnement. On a alors $P_f = \pu{1000 W.m-2} \times \pu{0,012 m2} = \pu{1,2e1 W}$.

   b. $r = \dfrac{P_u}{P_f} = \dfrac{\pu{0,86 W}}{\pu{1,2e1 W}} = \pu{7,2e-2}$ Le rendement de la cellule vaut 7,2%

4. Le rendement d’une cellule conventionnelle est de l’ordre de 20%. Le rendement de cette cellule est donc (au moins) deux fois inférieur.

5. Cette faible valeur du rendement peut être compensée par le fait que ces cellules pourraient être installées sur toutes les surfaces vitrées, vues qu’elles sont transparentes.

• Le cortège électronique d’un atome isolé est organisé en couches (et sous-couches) d’énergies possibles. On parle de quantification de l’énergie car leur nombre est infini mais pas continu (toutes les énergies ne sont pas possibles). Les électrons qui constituent ce cortège appartiennent donc à l’une de ces couches d’énergie.
• Les électrons statistiquement les plus proches du noyau occupent les premières couches (qui correspondent à l’interaction la plus grande avec le noyau) alors que les électrons statistiquement les plus éloignés interagissent moins avec le noyau et occupent des couches d’énergies moins grandes. Il existe donc une relation entre l’appartenance d’un électron à une couche d’énergie et sa distance moyenne au noyau.
• Le remplissage des couches électroniques suit des lois bien spécifiques :
  • Les couches d’énergies sont remplies à partir des première couches ;
  • Le nombre d’électrons dans chaque couche (ou sous-couche) est limité et dépend de la couche (ou sous-couche).

• Atome de carbone : 6 électrons qui se répartissent de la sorte dans le cortège électronique : $(K)^2(L)^4$ (si utilisation du formalisme des couches) ou $1s^2 2s^2 2p^2$ (si utilisation du formalisme des sous-couches). Cet atome possède donc 2 électrons dans la couche interne $K$ et 4 électrons périphériques dans la couche externe $L$.

• Atome de chlore : 17 électrons qui se répartissent de la sorte dans le cortège électronique : $(K)^2(L)^8(M)^7$ (si utilisation du formalisme des couches) ou $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 2p^5$ (si utilisation du formalisme des sous-couches). Cet atome possède donc 10 électrons dans les couches internes $K$ et $L$ et 7 électrons périphériques dans la couche externe $M$.