Conducteurs, isolants et flux d'électrons

Les électrons de différents types d'atomes ont différents degrés de liberté pour se déplacer. Avec certains types de matériaux, tels que les métaux, les électrons les plus externes des atomes sont si lâchement liés qu'ils se déplacent de manière chaotique dans l'espace entre les atomes de ce matériau par rien de plus que l'influence de l'énergie thermique à température ambiante. Parce que ces électrons pratiquement non liés sont libres de quitter leurs atomes respectifs et de flotter dans l'espace entre les atomes adjacents, ils sont souvent appelés électrons libres .

Conducteurs vs isolants

Dans d'autres types de matériaux comme le verre, les électrons des atomes ont très peu de liberté de mouvement. Alors que des forces externes telles que le frottement physique peuvent forcer certains de ces électrons à quitter leurs atomes respectifs et à se transférer aux atomes d'un autre matériau, ils ne se déplacent pas très facilement entre les atomes de ce matériau.

Cette mobilité relative des électrons au sein d'un matériau est connue sous le nom de conductivité électrique . La conductivité est déterminée par les types d'atomes dans un matériau (le nombre de protons dans le noyau de chaque atome détermine son identité chimique) et par la manière dont les atomes sont liés les uns aux autres. Les matériaux à haute mobilité électronique (beaucoup d'électrons libres) sont appelés conducteurs , tandis que les matériaux à faible mobilité électronique (peu ou pas d'électrons libres) sont appelés isolants . Voici quelques exemples courants de conducteurs et d'isolateurs :

• Conducteurs
• argent
• cuivre
• or
• aluminium
• fer
• acier
• laiton
• bronze
• mercure
• graphite
• eau sale
• béton

• Isolateurs
• verre
• caoutchouc
• huile
• asphalte
• fibre de verre
• porcelaine
• céramique
• quartz
• coton (sec)
• papier (sec)
• bois (sec)
• plastique
• aérien
• diamant
• eau pure

Il faut comprendre que tous les matériaux conducteurs n'ont pas le même niveau de conductivité et que tous les isolants ne sont pas également résistants au mouvement des électrons. La conductivité électrique est analogue à la transparence de certains matériaux à la lumière :les matériaux qui « conduisent » facilement la lumière sont appelés « transparents », tandis que ceux qui ne le font pas sont appelés « opaques ». Cependant, tous les matériaux transparents ne sont pas également conducteurs de la lumière. Le verre à vitre est meilleur que la plupart des plastiques, et certainement meilleur que la fibre de verre « claire ». Il en est ainsi des conducteurs électriques, certains étant meilleurs que d'autres.

Par exemple, l'argent est le meilleur conducteur de la liste des « conducteurs », offrant un passage plus facile pour les électrons que tout autre matériau cité. L'eau sale et le béton sont également répertoriés comme conducteurs, mais ces matériaux sont sensiblement moins conducteurs que n'importe quel métal.

Il faut également comprendre que certains matériaux subissent des modifications de leurs propriétés électriques dans différentes conditions. Le verre, par exemple, est un très bon isolant à température ambiante mais devient conducteur lorsqu'il est chauffé à très haute température. Les gaz tels que l'air, normalement des matériaux isolants, deviennent également conducteurs s'ils sont chauffés à des températures très élevées. La plupart des métaux deviennent de moins bons conducteurs lorsqu'ils sont chauffés et de meilleurs conducteurs lorsqu'ils sont refroidis. De nombreux matériaux conducteurs deviennent parfaitement conducteurs (c'est ce qu'on appelle la supraconductivité ) à des températures extrêmement basses.

Flux d'électrons / Courant électrique

Alors que le mouvement normal des électrons « libres » dans un conducteur est aléatoire, sans direction ni vitesse particulière, les électrons peuvent être influencés pour se déplacer de manière coordonnée à travers un matériau conducteur. Ce mouvement uniforme des électrons est ce que nous appelons électricité ou courant électrique . Pour être plus précis, on pourrait l'appeler électricité dynamique contrairement à l'électricité statique , qui est une accumulation immobile de charge électrique. Tout comme l'eau s'écoulant à travers le vide d'un tuyau, les électrons sont capables de se déplacer dans l'espace vide à l'intérieur et entre les atomes d'un conducteur. Le conducteur peut sembler solide à nos yeux, mais tout matériau composé d'atomes est en grande partie un espace vide ! L'analogie avec le flux de liquide est si appropriée que le mouvement des électrons à travers un conducteur est souvent appelé « flux ».

Une observation notable peut être faite ici. Comme chaque électron se déplace uniformément à travers un conducteur, il pousse celui qui le précède, de sorte que tous les électrons se déplacent ensemble en tant que groupe. Le démarrage et l'arrêt du flux d'électrons sur toute la longueur d'un chemin conducteur sont pratiquement instantanés d'une extrémité à l'autre d'un conducteur, même si le mouvement de chaque électron peut être très lent. Une analogie approximative est celle d'un tube rempli bout à bout de billes :

Le tube est plein de billes, tout comme un conducteur est plein d'électrons libres prêts à être déplacés par une influence extérieure. Si une seule bille est soudainement insérée dans ce tube plein sur le côté gauche, une autre bille tentera immédiatement de sortir du tube sur la droite. Même si chaque bille n'a parcouru qu'une courte distance, le transfert de mouvement à travers le tube est pratiquement instantané de l'extrémité gauche à l'extrémité droite, quelle que soit la longueur du tube. Avec l'électricité, l'effet global d'un bout à l'autre d'un conducteur se produit à la vitesse de la lumière :une vitesse de 186 000 miles par seconde !!! Chaque électron individuel, cependant, voyage à travers le conducteur à une beaucoup rythme plus lent.

Flux d'électrons à travers le fil

Si nous voulons que les électrons circulent dans une certaine direction vers un certain endroit, nous devons leur fournir le chemin approprié pour qu'ils se déplacent, tout comme un plombier doit installer des canalisations pour que l'eau s'écoule là où il veut qu'elle s'écoule. Pour faciliter cela, fils sont constitués de métaux hautement conducteurs tels que le cuivre ou l'aluminium dans une grande variété de tailles.

N'oubliez pas que les électrons ne peuvent circuler que lorsqu'ils ont la possibilité de se déplacer dans l'espace entre les atomes d'un matériau. Cela signifie qu'il peut y avoir du courant électrique uniquement là où il existe un chemin continu de matériau conducteur fournissant un conduit pour les électrons à traverser. Dans l'analogie avec les billes, les billes peuvent s'écouler dans le côté gauche du tube (et, par conséquent, à travers le tube) si et seulement si le tube est ouvert sur le côté droit pour que les billes s'écoulent. Si le tube est bloqué sur le côté droit, les billes vont simplement « s'empiler » à l'intérieur du tube, et le « flux » de billes ne se produira pas. Il en va de même pour le courant électrique :le flux continu d'électrons nécessite qu'il y ait un chemin ininterrompu pour permettre ce flux. Regardons un diagramme pour illustrer comment cela fonctionne :

Une ligne fine et continue (comme illustré ci-dessus) est le symbole conventionnel d'un morceau de fil continu. Étant donné que le fil est fait d'un matériau conducteur, tel que le cuivre, ses atomes constitutifs ont de nombreux électrons libres qui peuvent facilement se déplacer à travers le fil. Cependant, il n'y aura jamais de flux continu ou uniforme d'électrons dans ce fil à moins qu'ils n'aient un endroit d'où venir et un endroit où aller. Ajoutons un électron hypothétique « Source » et « Destination : »

Maintenant, avec la source d'électrons poussant de nouveaux électrons dans le fil sur le côté gauche, un flux d'électrons à travers le fil peut se produire (comme indiqué par les flèches pointant de gauche à droite). Cependant, le flux sera interrompu si le chemin conducteur formé par le fil est rompu :

Continuité électrique

Étant donné que l'air est un matériau isolant et qu'un entrefer sépare les deux morceaux de fil, le chemin autrefois continu a maintenant été rompu et les électrons ne peuvent pas circuler de la source à la destination. C'est comme couper un tuyau d'eau en deux et boucher les extrémités cassées du tuyau :l'eau ne peut pas s'écouler s'il n'y a pas de sortie du tuyau. En termes électriques, nous avions une condition de continuité électrique quand le fil était en un seul morceau, et maintenant cette continuité est rompue avec le fil coupé et séparé.

Si nous devions prendre un autre morceau de fil menant à la Destination et établir simplement un contact physique avec le fil menant à la Source, nous aurions à nouveau un chemin continu pour que les électrons circulent. Les deux points dans le schéma indiquent un contact physique (métal sur métal) entre les morceaux de fil :

Maintenant, nous avons une continuité de la Source à la connexion nouvellement établie, en bas, à droite et jusqu'à la Destination. Cela revient à mettre un raccord en « T » dans l'un des tuyaux bouchés et à diriger l'eau à travers un nouveau segment de tuyau jusqu'à sa destination. Veuillez noter que le segment de fil cassé sur le côté droit n'est traversé par aucun électron car il ne fait plus partie d'un chemin complet de la source à la destination.

Il est intéressant de noter qu'aucune « usure » ne se produit à l'intérieur des fils due à ce courant électrique, contrairement aux canalisations d'acheminement d'eau qui finissent par se corroder et s'user par des débits prolongés. Cependant, les électrons rencontrent un certain degré de friction lorsqu'ils se déplacent, et cette friction peut générer de la chaleur dans un conducteur. C'est un sujet que nous explorerons plus en détail plus tard.

AVIS :

• En conducteur matériaux, les électrons externes de chaque atome peuvent facilement aller ou venir et sont appelés électrons libres .
• En isolant matériaux, les électrons externes ne sont pas aussi libres de se déplacer.
• Tous les métaux sont conducteurs d'électricité.
• Électricité dynamique , ou courant électrique , est le mouvement uniforme des électrons à travers un conducteur.
• Électricité statique est immobile (si sur un isolant), charge accumulée formée par un excès ou un manque d'électrons dans un objet. Il est généralement formé par séparation de charges par contact et séparation de matériaux dissemblables.
• Pour que les électrons circulent en continu (indéfiniment) à travers un conducteur, il doit y avoir un chemin complet et ininterrompu pour qu'ils entrent et sortent de ce conducteur.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les conducteurs et les isolants