Cours de Ondes et signaux en Ligne par les Meilleurs Professeurs - Ondes et signaux

Émission d’un photon

Dans ce cours, Matisse de Studio aborde l'effet photoélectrique et explique l'émission d'un photon. Il explique que tout atome peut émettre un photon, par exemple, un atome de sodium peut émettre un photon d'énergie 2,11 eV. Il explique ensuite comment calculer la longueur d'onde du rayonnement émis en utilisant la relation énergie-longueur d'onde d'un photon, qui est E = h*c/lambda. Il précise que h est la constante de Planck (6,63 * 10^-34 J*s) et c est la vitesse de la lumière (3 * 10^8 m/s). En utilisant cette formule, il calcule que la longueur d'onde est de 589 nanomètres, ce qui correspond à la couleur jaune. Il illustre ce concept d'émission de photons avec un schéma énergétique, montrant comment un atome excité peut se désexciter en émettant un photon avec une certaine énergie et longueur d'onde. Le cours se termine en rappelant l'importance de comprendre la notion de photons et de leur énergie associée dans le contexte des désexcitations d'atomes classiques.

Plaque de sodium

Dans cette vidéo, on aborde l'effet photoélectrique, qui a été découvert par Einstein. On éclaire une plaque de sodium avec un rayonnement de 400 nanomètres. L'effet photoélectrique correspond à l'émission d'électrons par la matière sous l'action de la lumière. Lorsque le photon rencontre l'électron, son énergie est répartie entre le travail d'extraction de l'électron et l'énergie cinétique communiquée. Pour que l'effet photoélectrique soit observable, l'énergie du photon doit être supérieure au travail d'extraction. Dans le cas du sodium, le travail d'extraction est de 3,78 x 10-19 joules. L'énergie du photon est donc de 4,97 x 10-19 joules, ce qui permet l'observation de l'effet photoélectrique. La deuxième question concerne la vitesse d'éjection des électrons. On peut la déterminer en utilisant l'énergie cinétique qui est restante, qui est égale à l'énergie du photon moins le travail d'extraction. En isolant la vitesse d'éjection dans cette équation, on obtient une vitesse de 5,11 x 105 mètres par seconde. Ces exercices permettent de vérifier la compréhension de l'effet photoélectrique.

Plaque de zinc

Dans cette vidéo, nous étudions l'effet photoélectrique appliqué à une plaque de zinc. En 1888, William Ash a observé que lorsqu'une radiation de longueur d'onde de 330 nanomètres charge positivement une plaque de zinc, une radiation de 400 nanomètres ne le permet pas. La première question à expliquer est pourquoi la plaque de zinc se charge positivement. L'effet photoélectrique extrait des électrons de la matière, qui sont chargés négativement. Ainsi, si on extrait des charges négatives de la plaque, elle se charge positivement. Ensuite, nous devons calculer l'énergie des photons associés à chaque radiation en utilisant la relation classique E = H * C / lambda, avec H étant la constante de Planck. Les applications numériques donnent des énergies de 6,03x10^-19 joules et 4,97x10^-19 joules. Nous devons ensuite expliquer pourquoi la radiation de 400 nanomètres ne permet pas à la plaque de zinc de se charger positivement, contrairement à la radiation de 330 nanomètres. Les photons de la radiation de 400 nanomètres ont une énergie plus faible et donc ils n'ont peut-être pas l'énergie suffisante pour extraire les électrons de la plaque de zinc. Il est possible que le travail d'extraction pour le zinc soit supérieur à l'énergie de ces photons mais inférieur à celle de la radiation de 330 nanomètres. C'est la hypothèse à émettre, car l'effet photoélectrique est observable dans un cas mais pas dans l'autre. Merci d'avoir suivi cette vidéo et à bientôt !

Masse de l’électron

Dans cette vidéo, nous utilisons l'effet photoélectrique pour déterminer la masse de l'électron. Nous éclairons une plaque de cuivre en faisant varier la fréquence du rayonnement lumineux incident et mesurons la vitesse des électrons émis pour chaque valeur de fréquence. Nous obtenons un tableau de valeurs avec la fréquence en Hertz et la vitesse en mètre par seconde. L'objectif est de calculer la fréquence seuil du cuivre, qui correspond à l'énergie seuil nécessaire pour que l'effet photoélectrique se manifeste. En utilisant une relation établie entre la vitesse d'éjection des électrons et la fréquence du rayonnement incident, nous pouvons tracer une courbe de vitesse au carré en fonction de la fréquence. Cette courbe est une droite, ce qui permet de déterminer une relation linéaire entre la vitesse au carré et la fréquence. En utilisant cette relation linéaire, nous pouvons exprimer la vitesse au carré en fonction de la fréquence dans une expression donnée. Cela nous permet d'identifier deux manières de déterminer la masse de l'électron en utilisant les coefficients de la droite obtenue. En appliquant les calculs, nous obtenons une valeur très proche de la masse de l'électron connue. En conclusion, cet exercice est très pertinent et intéressant car il nous permet de déterminer la masse de l'électron grâce à l'effet photoélectrique et aux mesures expérimentales.

Calculer des rendements

Dans cette vidéo, nous calculons les rendements de cellules photovoltaïques en fonction de l'éclairement. Le graphique représente la puissance électrique disponible d'un panneau de cellules photovoltaïques de 1,1 m² pour différents éclairements (1000 Wpm², 600 Wpm² ou 200 Wpm²). Lorsque l'éclairement diminue, la puissance électrique disponible diminue également. Le rendement d'une cellule photovoltaïque est défini comme la puissance électrique produite au maximum divisée par la puissance solaire reçue. Nous calculons le rendement maximal pour chaque éclairement et concluons que le rendement d'une cellule est indépendant de l'éclairement reçu. Cette vidéo introduit les notions d'éclairements, de puissance solaire reçue et de puissance électrique convertie. Merci de votre attention et à bientôt !

Photoélectrique/Photovoltaïque

Dans cette vidéo, on aborde le lien entre l'effet photoélectrique et le photovoltaïsme. Le silicium, un semi-conducteur, possède une bande de valence et une bande de conduction qui ne se chevauchent pas. Cependant, leur écart énergétique, appelé gap, est faible, avec une valeur de 1,11 électronvolts. Le travail d'extraction d'un électron d'un atome de silicium provoquant son ionisation est égal à l'énergie d'ionisation divisée par le nombre d'Avogadro. Cette valeur peut être exprimée en électronvolts et est calculée à 1,31x10^(-18) joules. La fréquence seuil du silicium, à partir de laquelle l'effet photoélectrique est observable, est calculée en divisant le travail d'extraction par une constante. Sa valeur est de 1,98x10^15 Hertz. La longueur d'onde maximale de la radiation permettant l'observation de l'effet photoélectrique sur le silicium est calculée en utilisant la relation entre la fréquence seuil et la longueur d'onde. Elle est de 152 nanomètres. Le diagramme énergétique du silicium représente la bande de valence, la bande de conduction et la bande interdite. Le gap entre la bande de valence et la bande de conduction est représenté par une flèche et est nécessaire pour comprendre le rôle des semi-conducteurs dans le photovoltaïsme. Lorsqu'un photon d'énergie supérieure ou égale au gap frappe un atome de silicium, il est absorbé, et un courant apparaît dans le cristal, ce qui est l'effet photovoltaïque. La longueur d'onde maximale de la radiation permettant l'observation de cet effet est calculée en utilisant la relation entre l'énergie d'un photon et sa longueur d'onde. Sa valeur est de 1,12 µm. En résumé, l'effet photoélectrique nécessite une longueur d'onde plus faible que l'effet photovoltaïque. Ces deux phénomènes sont au cœur du chapitre et sont très intéressants à étudier.

Qui suis-je ?

Dans cette vidéo, Matisse de Studio utilise l'effet photoélectrique pour déterminer la nature d'un métal. Le métal inconnu est éclairé avec une lumière de fréquence 6,2 10 puissance 14 Hertz et un capteur mesure la vitesse des électrons éjectés (2,68 10 puissance 5 mètres par seconde). La première question est de déterminer la longueur d'onde du rayonnement incident. En utilisant la relation entre la fréquence et la longueur d'onde (lambda = C / nu), on obtient une longueur d'onde incidente de 484 nanomètres. La deuxième question concerne le phénomène physique à l'origine de l'émission des électrons, qui est l'effet photoélectrique. Ensuite, il faut calculer l'énergie cinétique des électrons émis. À partir de la longueur d'onde incidente, on utilise la formule de l'énergie cinétique (1/2 * m * v^2) pour obtenir une énergie cinétique de 3,23 10 puissance moins 20 joules. Enfin, pour déterminer la nature du métal, on utilise la relation des effets photoélectriques pour trouver le travail d'extraction correspondant, en soustrayant l'énergie du photon qui arrive sur le métal (CHµ) de l'énergie cinétique de l'électron émis. En faisant cela, on obtient un travail d'extraction de 3,79 10 puissance moins 19 joules, ce qui correspond au métal Na (sodium). Cet exercice met en pratique plusieurs notions importantes liées à l'effet photoélectrique pour déterminer la nature d'un métal.

Rendement

Dans cette vidéo, Matisse de Studio aborde le sujet du rendement des panneaux photovoltaïques. Le fabricant fournit les informations suivantes : une puissance électrique de 305 watts pour une puissance maximale sous un éclairement de 1000 watts par mètre carré, un nombre de cellules de 60, et les dimensions d'une cellule qui sont de 160 mm par 160 mm. L'objectif est de calculer le rendement maximal de ce panneau photovoltaïque. Le rendement d'une cellule est défini comme la puissance électrique produite maximale divisée par la puissance solaire reçue par le panneau. Pour calculer ce rendement, on utilise les données fournies. La puissance électrique produite maximale est déjà donnée en fonction de l'éclairement. Il ne reste qu'à exprimer la puissance solaire reçue. Celle-ci est définie comme l'éclairement multiplié par la surface du panneau, qui est égale au nombre de cellules du panneau fois la surface d'une cellule. Ainsi, le rendement est calculé en divisant la puissance électrique par le produit de l'éclairement, du nombre de cellules et de la surface d'une cellule. Dans ce cas particulier, le rendement est de 20%, ce qui correspond à un ordre de grandeur classique pour les panneaux photovoltaïques. En résumé, cet exercice peu guidé nécessite de comprendre la définition du rendement d'un panneau photovoltaïque et d'appliquer la méthode classique pour le calculer. Le rendement obtenu est de 20%, ce qui est typique pour ce type de panneaux. Merci d'avoir suivi cette vidéo et à bientôt !

BAC : Effet Compton

Dans cette vidéo, on aborde l'effet Compton, découvert par Arthur Compton en 1923. Cet effet se produit lorsque un photon énergétique entre en collision avec un électron faiblement lié à son atome. L'électron est éjecté de l'atome, qui devient ionisé, et un photon de longueur d'onde supérieure est diffusé. Cet effet prouve que la lumière est faite de corpuscules et non d'ondes. On dispose d'un schéma montrant le photon incident, le photon diffusé et l'électron en mouvement. On a aussi la relation de Compton, qui est lambda prime (longueur d'onde du photon diffusé) moins lambda (longueur d'onde du photon absorbé) égal à lambda c (longueur d'onde de Compton) fois 1 moins le cosinus de Theta (angle de diffusion). On explique comment l'interprétation de Compton prouve la nature corpusculaire de la lumière en montrant que la collision entre le photon et l'électron est similaire à la collision entre deux particules massiques. On explique également pourquoi la longueur d'onde du photon diffusé est plus grande que celle du photon incident. Cela est dû à un bilan d'énergie, où l'énergie du photon diffusé est plus faible, ce qui entraîne une longueur d'onde plus grande. On calcule ensuite la longueur d'onde de Compton, qui est d'environ 2,4 x 10^-12 m. On en déduit un encadrement pour lambda prime moins lambda, qui varie entre 0 et lambda c. Ces longueurs d'onde correspondent à des rayons x, qui sont des ondes très énergétiques. Enfin, on calcule la longueur d'onde des rayons x utilisés pour bombarder un cristal de calcite, qui est d'environ 7,1 x 10^-11 m. On détermine également la longueur d'onde et l'énergie des photons diffusés à un angle de 45 degrés, qui sont respectivement d'environ 7,17 x 10^-11 m et 17,3 kV. On applique ensuite le principe de conservation d'énergie pour déterminer l'énergie de l'électron arraché au cristal, qui est d'environ 171 eV. En résumé, cette vidéo présente l'effet Compton, qui est une preuve de la nature corpusculaire de la lumière. On explique les principaux aspects de l'effet, tel que la collision entre le photon et l'électron, la variation de longueur d'onde du photon diffusé et les calculs associés.

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