Légende de la leçon
Vert : définitions
I. La puissance transportée par la lumière
1) Les flux et l’éclairement énergétiques
Pyranomètre
L’irradiance (ou éclairement énergétique) quantifie la puissance d’un rayonnement électromagnétique reçu perpendiculairement à une surface. Elle est mesurée à l’aide d’un pyranomètre : son capteur reçoit la lumière extérieure et il indique la valeur de l’irradiance en watt par mètre carré (W.m–2). L’irradiance I est donc le rapport d’une puissance par une surface S :
L’éclairement solaire équivaut à 1 400 W.m–2 dans de bonnes conditions (le jour sans couverture nuageuse).
Exemple
Le soleil au zénith éclaire un champ de 1 000 m2 perpendiculairement à sa surface avec une irradiance I = 1 200 W.m–2.
Ce champ reçoit donc une puissance lumineuse P = I × S = 1 200 × 1 000 = 1,2 × 106 W = 1,2 MW. Cette puissance est considérable !
L’ordre de grandeur de la puissance lumineuse totale reçue par la Terre de la part du soleil est 1017 watts, soit une puissance moyenne de 340 W.m–2 au sol. L’ordre de grandeur de l’énergie reçue pendant un an est 1025 J. Cependant, environ 70 % de l’énergie est absorbée par la Terre, soit 1024 J, car une part de cette énergie est réfléchie par le système Terre-atmosphère. Ceci correspond à environ 1014 tonnes d’équivalent pétrole soit 12 000 fois la consommation énergétique mondiale.
Définition
Tonne d’équivalent pétrole (tep). Énergie moyenne libérée par la combustion d’une tonne de pétrole.
2) La conversion photovoltaïque
La conversion photovoltaïque est la transformation directe du rayonnement solaire en électricité dans une photopile. L’effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par Antoine Becquerel.
Une cellule photovoltaïque est un très mince disque de silicium monocristallin. On dope cette cellule avec des atomes de bore et de phosphore pour former 2 zones superposées (n) et (p). En soumettant la cellule au rayonnement solaire, une tension de l’ordre de 0,6 V apparaît entre ces zones.
Les photons incidents, entrant en collision avec les atomes de la cellule, lui cèdent leur énergie. Il apparaît un mouvement de charges électriques (d’électrons en l’occurrence) permettant la circulation d’un courant électrique dans un récepteur branché aux bornes de la cellule.
On définit :
- le courant crête, exprimé en ampère-crête (Ac) : c’est le courant maximum que peut délivrer la cellule soumise à l’irradiation maximale ;
- la puissance crête, exprimée en watt-crête (Wc) : c’est la valeur maximale de la puissance électrique délivrée par la cellule soumise à l’irradiation maximale ;
- le rendement η (« éta ») de conversion : c’est le rapport de la puissance électrique délivrée par la puissance reçue (pour une même surface).
Il existe 3 types de cellules photovoltaïques de rendements variables suivant la méthode de fabrication :
- les cellules monocristallines : le rendement est correct (15 à 20 %) mais le coût de fabrication est élevé ;
- les cellules polycristallines : constituées de plusieurs cristaux, elles sont moins chères à fabriquer et le rendement est un peu moins bon (10 à 12 %) ;
- les cellules amorphes : leur coût est faible et le rendement l’est aussi (5 à 10 %).
En plein soleil, correspondant à une irradiation de 1 000 W par m2 (en été au sud de la France), une cellule de bonne qualité peut délivrer une densité de courant de l’ordre de J = 3 A.dm–2 soit 300 A par mètre carré. La densité de courant J est égale au quotient du courant délivré par la surface (A.m–2).
La détermination du rendement d’un panneau photovoltaïque se réalise selon un protocole précis : un panneau photovoltaïque de surface S soumis à un éclairement E reçoit une puissance Preçue. On détermine par lecture graphique la puissance électrique maximale Pélec pour ce panneau. Le rendement est alors η = PélecPreçue.
II. Le rayonnement laser
1) Le flux énergétique d’un laser
Le flux énergétique Φé d’une source lumineuse est le rapport de l’énergie lumineuse rayonnée par la source W par la durée Δt.
On peut aussi écrire W = Φé × Δt
Attention
Ici, W est à la fois une grandeur physique et l’unité du flux énergétique.
Exemple
Un laser dont le flux énergétique vaut Φé = 5,0 mW éclaire une surface S = 6,0 mm2 pendant une durée Δt = 40 s.
L’éclairement énergétique ou irradiance I est le rapport du flux énergétique Φé par la surface S : W = Φé/S = 5,0 × 10–3/6,0 × 10–6 = 8,3 × 102 W.m–2.
On détermine aussi l’énergie lumineuse rayonnée par le laser : W = Φé × Δt = 5,0 × 10–3 × 40 = 0,20 J.
2) Les propriétés
Un faisceau laser est unidirectionnel, intense, monochromatique et cohérent :
- unidirectionnel : le faisceau se dirige dans une seule direction sans diverger contrairement à la lumière émise par une ampoule à incandescence, pour laquelle le faisceau s’écarte ;
- intense : la lumière émise est très intense, car elle se répartit sur une petite surface de l’ordre de quelques millimètres carrés. Cette puissance par unité de surface importante offre au laser de nombreuses applications mais le rend dangereux pour les yeux : le faisceau laser peut entraîner une cécité irréversible en cas de vision directe ;
- monochromatique : le laser émet une seule longueur d’onde. Le spectre d’un laser ne comporte qu’une seule radiation ;
- cohérent : la lumière produite par un laser est ordonnée dans le temps et dans l’espace.
Les puissances ou flux énergétiques retenus pour un laser continu émettant dans le domaine visible sont : la classe 1 jusqu’à 0,39 µW ; la classe 2 de 0,39 µW à 1 mW ; la classe 3 de 1 à 500 mW et la classe 4 au-delà de 500 mW.
Remarque
Plus la classe du laser augmente, plus des conditions de sécurité sont importantes.
Un faisceau laser est peu divergent et fin, il a donc une irradiance considérable. Dans le cas d’un « stylo laser » de puissance P = 1,0 mW ayant un faisceau de diamètre d = 2,0 mm, l’irradiance vaut I = PS avec P = 1,0 × 10–3 W et S = Πd24 = 3,1 × 10–6 m2, soit I = 322 W.m–2. S’il est reçu au niveau de la pupille, focalisé sur la rétine, il peut causer des dégâts irréversibles.
3) Les applications des lasers
En ophtalmologie : les lasers femto seconde permettent de vaporiser une partie de la cornée avant qu’un autre laser n’en modifie la courbure. Les opérations de la cataracte utilisent aussi des lasers.
En dermatologie : les lasers servent pour l’épilation, la réduction d’angiomes ou la cicatrisation. Selon l’objectif souhaité, un laser pulsé à colorant (λ = 595 nm) ou un laser presque continu YAG (1 064 nm) sera employé. La cible traitée doit absorber le faisceau laser. Le graphique ci-dessous indique les zones d’absorption (mélanine, globules rouges, eau) en fonction de la longueur d’onde.
En dentisterie : pour le traitement des caries, en chirurgie des tissus mous, en implantologie.
En physiothérapie : le laser facilite la guérison des tissus blessés et accélère la reconstruction des tissus tout en réduisant l’inflammation et la douleur.
En chirurgie : le laser sert de bistouri et réduit considérablement les saignements.
Dans l’industrie : le laser permet de découper des matériaux rapidement et précisément.
En urbanisme ou en construction : le laser permet la mesure de distances.
4) La protection contre les risques
Le symbole de danger (ci-contre) doit être affiché sur les appareils comportant une source de lumière laser ou dans un espace où un faisceau laser risque d’être présent.
Pour des questions de sécurité, la législation française interdit l’utilisation de lasers de classe supérieure à 2 en dehors d’un cadre professionnel.
Pour travailler dans des conditions de sécurité optimales, il faut suivre des consignes strictes :
- utiliser une peinture mate sur les murs ;
- manipuler des matériaux peu inflammables ;
- prévoir peu de lumière dans la pièce pour que la pupille de l’œil ne soit pas trop ouverte ;
- afficher le pictogramme de danger de faisceau laser dans la pièce et sur la porte du laboratoire ;
- relier le laser à la terre, car il y a présence de source électrique haute tension à l’intérieur du boîtier ;
- éviter de pointer le faisceau vers une porte ou une fenêtre ;
- utiliser des écrans protecteurs ;
- placer le faisceau à une hauteur différente de celle de l’œil ;
- éviter la présence de tout objet réfléchissant (bijoux, outils, etc.) ;
- porter des vêtements et des lunettes de protection adaptés au laser utilisé ;
- atténuer la puissance du faisceau au minimum nécessaire pour les expériences réalisées (filtres, atténuateurs) et en particulier lors des réglages ;
- utiliser un laser de classe 1 ou 2 est conseillé pour vérifier les alignements ;
- réduire au maximum la présence de personnes dans la salle de manipulation ;
- avoir suivi une formation sur la sécurité des lasers.