photoélectrique, effet

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Présentation

photoélectrique, effet, émission d’électrons par un métal sous l’action de radiations lumineuses.

Plus généralement, l’effet photoélectrique recouvre plusieurs phénomènes d’interaction de la lumière avec la matière, au cours desquels des photons cèdent leur énergie à des électrons. On distingue ainsi l’effet photoélectrique externe, appelé aussi photoémission, et l’effet photoélectrique interne qui comprend la photoconductivité, l’effet photovoltaïque et la photo-ionisation.

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Photoémission

L’effet photoélectrique est découvert en 1887 par le physicien allemand Heinrich Hertz, lors de ses travaux sur l’électromagnétisme. En 1900, son ancien assistant, Philipp von Lenard, montre que seules les radiations de faible longueur d’onde (ou de fréquence élevée) peuvent provoquer la photoémission, quelle que soit l’intensité du rayonnement incident. Cette caractéristique du phénomène ne peut s’expliquer à la lumière de la physique classique, qui considère le rayonnement électromagnétique comme une onde. Mais en 1905, Albert Einstein parvient à interpréter ces résultats grâce à la théorie des quanta formulée quelques années plus tôt par Max Planck. Il propose en effet de concevoir la lumière comme un flux de particules (les photons), dotées d’une énergie dépendant de la fréquence du rayonnement, et non de son intensité. Ainsi, chaque photon possède une énergie E, telle que E = hν, où h est la constante de Planck et ν la fréquence du rayonnement. Albert Einstein comprend que l’effet photoélectrique se traduit par l’absorption de certains photons par le métal : si l’énergie d’un photon est supérieure à l’énergie liant un électron à un atome du métal, cet électron peut alors quitter son orbitale atomique, acquérant une énergie cinétique et créant un courant électrique. Pour ses travaux sur l’effet photoélectrique, Albert Einstein reçoit le prix Nobel de physique en 1921 et contribue fortement, par ses explications, au développement de la théorie quantique.

L’effet photoélectrique externe trouve sa principale application dans la cellule photoélectrique : des électrons y sont émis par un pôle, appelé la photocathode, lorsque celui-ci reçoit des radiations lumineuses de fréquences appropriées. Sous l’influence d’un champ électrique, les électrons migrent alors vers l’autre pôle, appelé anode. La cellule photoélectrique permet de mesurer des variations d’intensité lumineuse. Le premier modèle est construit en 1890.

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Photoconductivité

La photoconductivité correspond à une augmentation de la conductivité électrique d’un semi-conducteur sous l’influence d’un rayonnement électromagnétique. Ce phénomène s’explique par la propriété que présente ce type de matériaux de contenir des électrons relativement mobiles, dotés d’une énergie de liaison relativement faible. Dans l’obscurité, les électrons s’avèrent peu mobiles, mais, à la lumière, les photons absorbés par le métal apportent une énergie telle que la mobilité des électrons du semi-conducteur s’en trouve fortement accrue, ce qui se traduit par une augmentation de la conductivité du matériau.

La photoconductivité est employée dans les photodiodes, diodes à semi-conducteur qui permettent de mesurer les variations du flux lumineux. La radiation lumineuse incidente provoque en effet une variation du courant électrique dans la diode.

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Effet photovoltaïque

Découvert par Antoine Becquerel en 1839, l’effet photovoltaïque correspond à l’apparition d’une différence de potentiel entre les deux côtés d’une jonction semi-conductrice sous l’action d’une radiation lumineuse. En plaçant en série différents semi-conducteurs sensibles à la lumière, Antoine Becquerel constate l’existence d’une polarité dans ce dispositif. En effet, pour une longueur d’onde suffisamment courte, le rayonnement provoque le déplacement d’électrons d’un conducteur à l’autre : une différence de potentiel apparaît alors aux deux bornes du dispositif, constituant ainsi une pile.

Bien que le rendement de ce système soit très faible, ce type de pile est néanmoins utilisé lorsque de petites quantités d’électricité sont requises, comme sur certaines montres ou calculatrices solaires. Les panneaux solaires, composés de nombreuses cellules photovoltaïques élémentaires placées en séries, utilisent également l’effet photovoltaïque. Ces panneaux sont généralement employés comme chauffage secondaire d’habitation lorsque l’ensoleillement est suffisant, et comme source d’énergie principale dans l’espace. Voir énergie solaire.