Le 12/11/2013 Page : 1 / 6 Devoir n°1 (2h) Spécialité T
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I. Un semi-conducteur lumineux voire très lumineux (10 points) Documents
Extraire et exploiter des informations (Documents 1 à 6) 1. Conduction dans les semi-conducteurs
1.1. Qu'appelle-t-on un matériau semi-conducteur ? 1.2. Qu'est-ce qui assure la conduction dans un
matériau semi-conducteur ?
1.3. Comment augmente-t-on artificiellement la conductivité d'un matériau semi-conducteur ? 2. Diodes
Comment expliquer l'émission de lumière dans une DEL ?
2.1. Que signifie DEL et sa traduction anglaise LED très utilisée en physique ?
2.2. Pourquoi une jonction PN n'est-elle pas le siège d'un courant de charges, alors qu'elle est
constituée par l'association de matériaux de densités de charges différentes ?
2.3. Que faut-il pour que la jonction PN conduise le courant ?
2.4. Comment cela se traduit-il au niveau de la caractéristique intensité-tension d'une diode ? 2.5. Que se passe-t-il lors d'une polarisation inverse de
la jonction PN ? 3. Pour conclure
3.1. En quoi une DEL est-elle un semi-conducteur ? 3.2. À quelle condition une DEL émet-elle de la
lumière ?
4. La DEL très haute luminosité
L’intensité maximale supportée par une DEL classique est Imax = 20 mA.
Les DEL modernes de très forte puissance ne sont rien d'autre qu'un assemblage ultra compact de plusieurs DEL élémentaires. Cet article présente deux DEL blanches (blanc chaud et blanc froid) de 20W et 1600 lumens (lm).
Cette DEL blanche 20W se connecte à ses deux extrémités. Il faut impérativement monter la DEL sur un radiateur avec de la pâte thermique si on l'utilise plus de 2 secondes à pleine puissance !
4.1. Quel est l’utilité du « radiateur » dans ce montage ? Luminosité et courant de la LED blanche 20W.
Les données du constructeur sont:
Tension : 13,5V - 15V
Courant : 1500mA
Puissance : 20W
Flux lumineux : 1600 lm (équivalent à une ampoule à incandescence de 125W).
Couleur : blanc froid (température de couleur 7000K - 8000K environ)
Couleur : blanc chaud (température de couleur 3000K - 3500K environ)
Source : http://www.astuces-pratiques.fr/electronique/led-blanche-20w-tres-haute-luminosite
4.2. Proposer un montage pour mesurer l’intensité I du courant traversant la DEL et la tension U aux bornes de la DEL (voir symbole ci-contre) en intégrant une résistance (dite de protection) dans le circuit et un générateur de tension réglable.
4.3. La caractéristique courant-tension de la LED blanche est ci-dessous. En prolongeant la partie linéaire de la caractéristique pour la LED « blanc froid », déterminer la tension dite de « seuil » Useuil, tension au-delà de laquelle la LED commence à briller.
Le coût d’une LED haute luminosité 20W est de 8 € et le coût de l’alimentation spécifique est de 10 €.
Le coût d’une ampoule à incandescence de puissance 125 W est de 2€.
4.4. En supposant un fonctionnement de cette LED 12h/jour pendant 300 jours dans l’année, quelle serait l’énergie électrique ELED (en kWh) consommée par cette DEL en un an ?
Quelle serait l’énergie électrique Eampoule (en kWh) consommée par une ampoule à incandescence de puissance 125 W pour la même durée que la LED ?
Donnée : Energie (kWh) = puissance (kW) durée (h)
4.5. Le prix du kWh est de 0,1329 €. La durée de vie moyenne d’une LED est de 36 000 h et celle d’une ampoule à incandescence est de 1 000 h.
Quel est le bénéfice réalisé pour l’installation de la LED haute luminosité à la place d’une ampoule à incandescence de 125 W au bout de 36 000 h ? Détailler vos calculs.
II. Etude de la fabrication d’un ponton en milieu marin (4 points)
Vous faites partie d'un laboratoire d'ingénierie qui doit étudier la conception d'un ponton. En marine, le ponton (ou embarcadère) permet l'embarquement ou le débarquement de passagers et l'amarrage des bateaux. L'image, ci- contre, montre un ponton en construction.
D'après http://wvw.parc-marais-poitevin.fr/
Document 1
L'acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction mécanique. L'acier est constitué d'au moins deux éléments, le fer, très majoritaire, et le carbone, dans des proportions comprises entre 0,02 % et 2 % en masse. C'est essentiellement la teneur en carbone qui confère à l'alliage les propriétés du métal qu'on appelle « acier ».
Pour l'acier, la corrosion se traduit par la formation de rouille. Ce produit composé d'oxydes plus ou moins hydratés ne se forme qu'en présence de dioxygène et d'eau à température ordinaire. Cette corrosion est dite aqueuse, et c'est la forme la plus fréquemment rencontrée en construction métallique.
La corrosion est un phénomène électrochimique : cela signifie qu'il se crée des piles à la surface de l'acier, dans lesquelles une des électrodes, l'anode, se consomme au bénéfice de l'autre, la cathode, qui reste intacte.
L'électrolyte est constitué par l'eau, plus ou moins conductrice et oxygénée.
Les deux demi-équations mises en jeu dans le phénomène de corrosion sont :
½ O2 + 2e– + H2O 2 HO- Fe2+ + 2 e– Fe
Document 3
NOM : ... Prénom : ... Classe : TS …
QCM : Cocher les bonnes réponses
Cocher les bonnes réponses en précisant à chaque fois le numéro du document utilisé pour répondre à la question.
Questions Réponses Documents
1) La corrosion des piliers métalliques est la même sur toute leur hauteur. Oui □ Non □ 2) La quantité de dioxygène est identique sur toute la hauteur du pilier métallique. Oui □ Non □ 3) La corrosion est la plus importante à la base du pilier métallique. Oui □ Non □ 4) La température moyenne a une influence sur la perte d'épaisseur d'acier au cours du
temps. Oui □ Non □
5) L'équation d'oxydoréduction associée à la corrosion humide peut être écrite :
Fe(s) + H2O 2 HO-(aq) + Fe2+(aq) Oui □ Non □ 6) Un pilier métallique perd 0,2 mm d'épaisseur au bout de 5 ans en présence d'une
atmosphère humide et polluée. Oui □ Non □
III. Corrosion et protection des métaux (6 points)
La corrosion est un fléau industriel. On estime en effet que 20% de la production mondiale d'acier (mélange de fer et de carbone, contenant moins de 2% de carbone) sont perdus chaque année sous forme de rouille. On a observé que l'oxydation du fer par le dioxygène était accentuée en milieu humide et salé.
Pour comprendre ce phénomène, un professeur de chimie propose à ses élèves de réaliser quelques expériences simples.
Pour commencer, les élèves effectuent en tubes à essai, des tests caractéristiques dont les résultats sont rassemblés dans te tableau suivant :
Ions à tester Réactif test Observations Résultat du test
Tube 1 Ion fer II: Fe2+(aq) ion hexacyanoferrate (III)
[Fe(CN)6] 3- Coloration bleue Mise en évidence des ions Fe2+(aq)
Tube 2 Ion zinc II : Zn2+(aq) ion hexacyanoferrate (III)
[Fe(CN)6] 3- Précipité blanc Mise en évidence des ions Zn2+(aq)
Tube 3 Ion hydroxyde : HO-(aq) Phénolphtaléine Coloration rose Mise en évidence des ions HO-(aq)
Ensuite, ils disposent dans deux boîtes de Pétri, des clous en fer selon le protocole suivant :
Ils préparent à chaud un mélange d'eau salée, de solution aqueuse d'hexacyanoferrate III de potassium, de phénolphtaléine et de gélifiant. Ils versent ce mélange dans les deux boîtes de Pétri et laissent refroidir une heure jusqu'à ce que le gel fige.
1. Exploitation de l'expérience réalisée dans la boîte de Pétri (1)
1.1. On observe que les parties extrêmes du clou (pointe et tête) sont entourées d'une zone bleue alors que la partie centrale est entourée d'une zone rose.
Quels sont les ions apparus dans les parties extrêmes et dans la partie centrale du clou ?
1.2. Écrire la demi-équation électronique traduisant la transformation du métal fer aux extrémités du clou.
1.3. La demi-équation électronique traduisant la transformation qui a lieu dans la partie centrale du clou s'écrit : O2 (dissous) + 2 H2O + 4 e – = 4 HO – (aq)
En déduire l'équation de la réaction d'oxydoréduction modélisant la transformation chimique se produisant à la surface du clou.
1.4. Pour interpréter les observations faites dans la boîte de Pétri (1), on suppose que le clou se comporte comme une micropile, puisque l'oxydation et la réduction se produisent dans des zones distinctes (pour simplifier, on étudiera la partie centrale et une seule des deux extrémités). Comme dans toute pile classique,
l'électroneutralité du milieu est assurée par le déplacement des ions, ici dans le gel salin.
Compléter la figure 1, en indiquant : - Les zones d'oxydation et de réduction.
- Les zones anodique et cathodique.
2. Exploitation de l'expérience réalisée dans la boîte de Pétri n°2
2.1. Le clou est entouré quasi uniformément d'une zone rose alors que la lame de zinc est entourée d'une zone blanche.
Quel est, des deux métaux, celui qui est oxydé ? Justifier.
2.2. Utiliser les résultats de cette expérience pour expliquer pourquoi les constructeurs de bateaux fixent des blocs de zinc sur la coque en acier des navires.
2.3. Un marin veut s'assurer de la bonne protection de la coque de son bateau par ce procédé. Pour cela, il branche un voltmètre, en mode continu, entre la coque en acier et le bloc de zinc. La borne COM du voltmètre étant reliée à la coque en acier et la borne V au bloc de zinc, le voltmètre indique – 320 mV.
2.3.1 En admettant que l'association {coque en acier, eau de mer, bloc de zinc}
forme une pile, déduire de cette mesure les polarités de cette pile. (Voir schéma ci-contre)
2.3.2 La protection est-elle assurée ? Justifier.
Clou en fer (Fe(s))
Clou en fer (Fe(s)) Lame de zinc (Zn(s))
Boîte de Pétri (1) Boîte de Pétri (2)
Clou en fer seul Clou en fer en contact avec une lame de zinc
Z o n e
Z o n e Figure 1
Clou
Tête
+ - N P
UPN > 0
