Transformation chimique et transfert électrique ; ondes électromagnétiques : bac Stl 2013

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La batterie d’un scooter est composée de 10 accumulateurs Lithium-ion (noté Li-ion) montés en série. Elle sert à stocker l’énergie nécessaire au fonctionnement du moteur électrique. La batterie peut stocker au maximum une énergie égale à 4 kW.h. Un accumulateur Li-ion se comporte comme :
- un générateur électrochimique de courant continu lorsqu’il fournit de l’énergie à un récepteur noté R,
- un récepteur électrochimique lorsqu’il est rechargé par un générateur noté G.
Il est constitué de deux électrodes séparées par un électrolyte dans lequel les ions lithium Li+ se déplacent. L’une des électrodes est en graphite, l’autre électrode est en oxyde de cobalt CoO2. (Co est le symbole de l’élément cobalt).

Fonctionnement en générateur d’un accumulateur lithium-ion :
Les réactions aux électrodes sont modélisées de façon simplifiée par les équations chimiques ci-après :
Sur l’électrode en graphite : Li → Li + + e.
Sur l’électrode en oxyde de cobalt : CoO2 + Li+ + e → CoLiO2.
Quels sont les porteurs de charge responsables du passage du courant dans les différentes parties du circuit ?
Dans les parties métalliques, les porteurs de charges sont les électrons, dans l'électrolyte de l’accumulateur, ce sont les ions lithium Li+.
L’électrode en graphite est-elle l’électrode positive ou l’électrode négative de l’accumulateur ? Justifier.
L’électrode de graphite est le siège d'une oxydation : des électrons sont libérés. Cete électrode est la borne négative de l'accumulateur.


Fonctionnement en récepteur d’un accumulateur lithium-ion.
Le processus charge-décharge de l’accumulateur Li-ion est réversible.

Compléter le schéma en précisant :
Le sens de circulation des électrons dans le circuit à l’extérieur du générateur, le sens de déplacement des ions Li+ dans l’électrolyte, l’électrode en graphite, l’électrode en oxyde de cobalt.


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La batterie lithium-ion d’un point de vue énergétique.
Caractéristiques de différents types d’accumulateurs.
Type d'accumulateur Energie massique
Wh kg-1
Energie volumique
Wh L-1
Tension à vide (V)
d'un accumulateur
Nombre de recharges
Plomb acide 30 - 50 75 - 120 2,25 400 - 800
Li-polymére 100 - 130 220 - 330 3,7 200 - 300
Li-ion 90 - 180 220 - 400 3,6 500 - 1000
D’après les données de l’ADEME (agence de l’environnement et de la maitrise de l’énergie) et de Panasonic-technologie Li-ion.
Expliquer pourquoi on utilise principalement des accumulateurs Li-Po et Li-ion dans les appareils portables ?
L'énergie massique et l'énergie volumique sont près de trois fois plus grandes que celles de l'acumulateur Plomb acide.
La batterie Lithium-ion d’un scooter hybride a une masse de 26 kg.
Vérifier que l’énergie massique d’un accumulateur Li-ion correspond aux données ci-dessus.
10 accumulateurs stockent au maximum 4,0 kWh, soit 0,4 kWh ou 400 Wh par accumulateur ( pour une masse de 2,6 kg).
400 / 2,6 ~154 Wh kg-1, valeur comprise dans celles données.
Ondes électromagnétiques.
Le pilote du scooter possède un casque équipé d’un système de communication bluetooth avec son passager.

Décrire succinctement la structure d’une onde électromagnétique.
Une onde électromagnétique est constituée d’un champ électrique et d’un champ magnétique se propageant à la vitesse de la lumière.
 Ces deux champs périodiques et de même fréquence sont perpendiculaires l’un à l’autre ainsi qu’à la direction de propagation de l’onde.
Quel type d’onde électromagnétique utilise  la technologie Bluetooth ?
Le système bluetooth utilise des ondes électromagnétiques de fréquence 2,4 GHz appartenant aux domaine des micro-ondes.
« Les appareils communiquant par Bluetooth ne nécessitent pas de ligne de vue directe pour communiquer, contrairement à ceux qui utilisent une liaison infrarouge. »
Justifier un intérêt du choix de la technologie Bluetooth dans la communication entre le pilote et son passager.
La liaison fonctionne même si les appareils ne sont pas disposés faceà face.
La classe 2 du kit de communication du pilote du scooter vous paraît-elle convenir à l’utilisation qui en est faite ?
La portée d'un kit de classe 2 est de 10 à 20 m, ce qui est bien suffisant pour que le motard communique avec son passager.





Le kit intègre une antenne. Il existe plusieurs sortes d’antennes dont l’une est appelée antenne quart d’onde : Cette appellation « quart d’onde » signifie que la longueur L de l’antenne est égale au quart de la longueur d’onde :
 L =0,25 l.
Quelle doit-être la longueur L d’une antenne « quart d’onde » dans la technologie Bluetooth ? Cette longueur vous paraît-elle acceptable ?
La fréquence du signal est f = 2,4 GHz = 2,4 109 Hz.
La longueur d'onde l vaut : l = c/f = 3 108 /(
2,4 109) =0,125 m = 12,5 cm
Une antenne « quart d’onde » aurait donc une longueur L =  12,5 / 4 ~ 3 cm, ce qui est tout à fait acceptable.




  


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