EXERCICE 1 : SEMI CONDUCTEUR ET PHOTORESISTANCE (10
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EXERCICE 1 : SEMI CONDUCTEUR ET PHOTORESISTANCE (10 POINTS) I- Semi-conducteur 1-a- Pour chacun des 3 schémas (a, b et c) ci-contre (figure 1), indiquer à quel type de matériaux (semi-conducteur, isolant ou conducteur) il correspond. b- Donner une définition claire et précise de ce que représente Eg. 2- Une photorésistance est constituée d’un matériau semi-conducteur. Expliquer brièvement pourquoi sa résistance diminue lorsqu’elle est davantage éclairée. 3-Les principaux semi-conducteurs sont constitués de réseaux cristallins d’atomes de silicium Si ou de germanium Ge. Où sont situés ces deux éléments dans la classification périodique ? Qu’ont-ils donc en commun ? a b c II-Utilisation de la photorésistance : étude de l’éclairage d’un tube fluorescent Document 2 : fonctionnement d’un tube fluorescent Les lampes fluorescentes contiennent un mélange de gaz rares et de vapeur de mercure à basse pression, et pas forcément de néon comme le langage populaire le laisserait croire. La lumière visible est produite par deux processus successifs : Une décharge électrique entre deux électrodes qui, portées à l’incandescence, émettent un courant d’électrons. Ceux-ci provoquent par leurs chocs l’ionisation de l’atmosphère du tube et l’excitation des atomes de mercure. Ces atomes de mercure libèrent ensuite cette énergie sous forme de rayonnements ultraviolets. Ce premier rayonnement est ensuite converti en lumière visible, moins énergétique (la différence donnant de la chaleur), à la surface interne du tube par un mélange de poudres fluorescentes. La couleur de la lumière produite provient donc essentiellement de la composition spécifique de ce revêtement interne. Le néon est parfois utilisé, mais produit une lumière rouge. Cette utilisation est donc très particulière, et c'est par simplification abusive que le nom de ce gaz est devenu synonyme aujourd'hui de lampe fluorescente. Document 3 : les dangers des effets stroboscopiques Les ateliers industriels ont longtemps été éclairés par des tubes à décharge (tubes fluorescents ou « néon ») qui s’illuminent deux fois au cours d’une période du courant alternatif (secteur), ils produisent donc f e éclairs par seconde. Des effets stroboscopiques peuvent alors se produire : une machine tournante (comme une scie électrique), une machine oscillante (comme l’aiguille d’une machine à coudre), à fréquence élevée sembleront immobiles si la fréquence de leur mouvement est multiple de la fréquence des éclairs produits par le néon. Elles constituent alors un véritable danger car une personne pourra s’en approcher sans méfiance, les croyants immobiles. Les éclairages par tubes au néon sont maintenant interdits dans les ateliers où ils présentent un danger. Données : La persistance des impressions rétiniennes est environ 0,1 s. La fréquence du courant alternatif (secteur) est f = 50 Hz 1- Afin de vérifier la fréquence d’émission des éclairs du tube, on réalise le montage ci-contre où RP et R sont respectivement la résistance de la photorésistance et une résistance quelconque. On branche un oscilloscope aux bornes de la résistance R et, en plaçant la photorésistance sous un tube fluorescent, on obtient l’oscillogramme suivant : 1 2 Sensibilité horizontale (ou durée de balayage) : 2,0 ms/division Sensibilité verticale (voie 1): 2,0 V/division a- Flécher la tension mesurée par l’oscilloscope et donner son expression. (Rappel : Loi d’ohm : La tension aux bornes d’un conducteur ohmique est égale au produit de sa résistance par l’intensité du courant qui le traverse.) b- Calculer la fréquence f du signal observé à l’oscilloscope. c- A quelle partie de courbe (1 ou 2) correspond l’illumination du tube fluorescent ? Expliquer ; vous utiliserez dans votre raisonnement la loi d’additivité des tensions dans un circuits série : La tension aux bornes du générateur est égale à la somme des tensions au bornes des autres dipôles . d- En déduire la valeur de la fréquence fe des éclairs du tube fluorescent. e- Le résultat obtenu est-il en accord avec l’indication du document 3 ? Expliquer. 2-Expliquer pourquoi l’œil ne perçoit pas les clignotements du tube néon (ou tube fluorescent). 3- a- Calculer la fréquence de rotation d’une scie circulaire tournant à 6000 tours par minute. b- Est-il dangereux d’éclairer cette scie circulaire avec le tube fluorescent dans un atelier industriel ? Expliquer. EXERCICE 2 : REDONNER VIE A UN OBJET ANCIEN (10 POINTS) La photographie, ci-contre, est celle d’une « égoïste ». Il s’agit d’une théière de salon, pour une seule personne, datant du début du XIXème siècle. Elle est en laiton (alliage de cuivre et de zinc) et, à l’origine, elle était recouverte d’argent métallique qui a disparu au fil des années. Pour redonner à ce type de pièce leur éclat d’antan, les orfèvres savent déposer une mince couche adhérente d’argent extérieurement et intérieurement par électrolyse. Outre l’embellissement de l’objet traité, cette opération permet de le protéger de l’attaque de l’air et des aliments acides et lui confère des propriétés germicide et bactéricide. Document 1 : Traitement chimique de la théière par électrolyse Avant de recevoir l’argenture, la théière subit plusieurs traitements de la part de l’orfèvre : le métal est aplani, décapé, poli et dégraissé de manière à ce que le dépôt d’argent adhère bien par la suite. La théière, qui possède une surface totale S = 850 cm2, une fois prête à recevoir l’argenture est plongée dans un bain nommé bain « d’argent brillant », solution contenant des ions argent pendant une durée t = 35 min. Des plaques d’argent pur sont placées de chaque côté du bain. Un générateur de tension continue délivre dans l’électrolyseur ainsi constitué un courant d’intensité constante de valeur I = 6,0 A. Données pour l’électrolyse Couple oxydant/réducteur : Ag+(aq) / Ag (s) ; Masse molaire atomique de l’argent : M(Ag) = 107,9 g.mol–1 ; Masse volumique de l’argent : (Ag) = 10 g.cm–3 ; Constante d’Avogadro : NA = 6,02 1023 mol–1 ; Charge électrique élémentaire : e = 1,6 10–19 C. On rappelle que la charge électrique qui traverse le circuit vaut Q = I x t = ne- NA x e Document 2 : Qualité du dépôt d’argent sur la théière Une fois l’électrolyse terminée, l’orfèvre doit appliquer un poinçon. Ce poinçon comporte les chiffres I ou II Poinçon, Poinçon, fabrication française fabrication française qualité I qualité IIsur la pièce. selon la qualité de fabrication correspondant à une certaine couche d’argent déposée Exemples de poinçons avec le symbole de l’orfèvre et ses initiales Les qualités I ou II dépendent de l’épaisseur moyenne du dépôt d’argent sur l’objet et du type d’objet argenté comme le montre le tableau ci-dessous : Épaisseur moyenne minimale du dépôt d’argent en m Articles de couvert d’usage fréquent (couteaux, fourchettes) Articles de couvert d’usage occasionnel (couteaux, fourchettes) Articles d’orfèvrerie au contact des aliments (plats, théières, timbales) Articles d’orfèvrerie décoratifs (bougeoirs, vases) Qualité I 33 19 15 10 Qualité II 20 12 9 6 Questions préalables On a simplifié le circuit d’électrolyse sur la figure ci-dessous : 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. Indiquer sur le schéma ci-dessus, le sens conventionnel du courant électrique et le sens de déplacement des électrons. Quel rôle joue la théière dans ce cas ? Cathode ou anode ? Justifier. Quelle est la réaction qui s’y déroule ? Donner son équation. Ecrire la réaction qui a lieu au niveau de l’électrode d’argent. Que devient cette électrode ? A partir des questions 1.2 et 1.3 , écrire l’équation de la réaction chimique ayant lieu lors de l’électrolyse. 2. Résolution de problème En vous aidant des documents 1 et 2 et des équations établies ci-dessus, Vous calculerez la masse d’argent déposée sur la pièce pendant la durée de 35 minutes Puis vous déterminerez l’épaisseur de la couche d’argent déposée et enfin, vous conclurez votre raisonnement en déterminant le bon poinçon à appliquer sur la théière restaurée, attestant de la qualité du dépôt d’argent.
