Introduction à la conductance et aux conducteurs

Vous devriez maintenant être bien conscient de la corrélation entre la conductivité électrique et certains types de matériaux. Ces matériaux permettant un passage facile des électrons libres sont appelés conducteurs , tandis que les matériaux empêchant le passage des électrons libres sont appelés isolants .

Malheureusement, les théories scientifiques expliquant pourquoi certains matériaux conduisent et d'autres non sont assez complexes, enracinées dans les explications de la mécanique quantique sur la façon dont les électrons sont disposés autour des noyaux des atomes. Contrairement au modèle "planétaire" bien connu des électrons tourbillonnant autour du noyau d'un atome en tant que morceaux de matière bien définis sur des orbites circulaires ou elliptiques, les électrons en "orbite" n'agissent pas du tout comme des morceaux de matière. Au contraire, ils présentent les caractéristiques à la fois des particules et des ondes, leur comportement étant limité par leur placement dans des zones distinctes autour du noyau appelées « coquilles » et « sous-coquilles ». Les électrons ne peuvent occuper ces zones que dans une gamme limitée d'énergies en fonction de la zone particulière et de l'occupation de cette zone par d'autres électrons. Si les électrons agissaient réellement comme de minuscules planètes maintenues en orbite autour du noyau par attraction électrostatique, leurs actions étant décrites par les mêmes lois décrivant les mouvements des planètes réelles, il ne pourrait y avoir de distinction réelle entre les conducteurs et les isolants, et les liaisons chimiques entre les atomes ne le feraient pas. existent comme ils le font maintenant. C'est la nature discrète et « quantifiée » de l'énergie et du placement des électrons décrite par la physique quantique qui confère à ces phénomènes leur régularité.

Atome à l'état excité

Lorsqu'un électron est libre d'assumer des états d'énergie plus élevés autour du noyau d'un atome (en raison de son placement dans une « enveloppe » particulière), il peut être libre de se séparer de l'atome et de faire partie d'un courant électrique à travers la substance.

Atome à l'état fondamental

Si les limitations quantiques imposées à un électron lui refusent cette liberté, cependant, l'électron est considéré comme « lié » et ne peut pas se détacher (du moins pas facilement) pour constituer un courant. Le premier scénario est typique des matériaux conducteurs, tandis que le second est typique des matériaux isolants.

Certains manuels vous diront que la conductivité électrique d'un élément est exclusivement déterminée par le nombre d'électrons résidant dans la "coque" externe des atomes (appelée valence shell), mais il s'agit d'une simplification excessive, comme le confirmera tout examen de la conductivité par rapport aux électrons de valence dans un tableau d'éléments. La véritable complexité de la situation est encore révélée lorsque la conductivité des molécules (ensembles d'atomes liés les uns aux autres par l'activité électronique) est considérée.

Un bon exemple en est l'élément carbone, qui comprend des matériaux de conductivité très différente :le graphite et le diamant . Le graphite est un bon conducteur d'électricité, tandis que le diamant est pratiquement un isolant (plus étrange encore, il est techniquement classé comme un semi-conducteur , qui dans sa forme pure agit comme un isolant, mais peut conduire sous des températures élevées et/ou sous l'influence d'impuretés). Le graphite et le diamant sont composés exactement des mêmes types d'atomes :le carbone, avec 6 protons, 6 neutrons et 6 électrons chacun. La différence fondamentale entre le graphite et le diamant est que les molécules de graphite sont des groupements plats d'atomes de carbone, tandis que les molécules de diamant sont des groupements tétraédriques (en forme de pyramide) d'atomes de carbone.

L'introduction intentionnelle d'impuretés dans un semi-conducteur intrinsèque dans le but de modifier ses propriétés électriques, optiques et structurelles est appelée dopage . Si des atomes de carbone sont joints à d'autres types d'atomes pour former des composés, la conductivité électrique est à nouveau altérée. Le carbure de silicium, un composé des éléments silicium et carbone, présente un comportement non linéaire :sa résistance électrique diminue avec l'augmentation de la tension appliquée ! Les composés d'hydrocarbures (comme les molécules présentes dans les huiles) ont tendance à être de très bons isolants. Comme vous pouvez le voir, un simple comptage des électrons de valence dans un atome est un mauvais indicateur de la conductivité électrique d'une substance.

Tous les éléments métalliques sont de bons conducteurs d'électricité, en raison de la façon dont les atomes se lient les uns aux autres. Les électrons des atomes constituant une masse de métal sont si désinhibés dans leurs états d'énergie admissibles qu'ils flottent librement entre les différents noyaux de la substance, facilement motivés par n'importe quel champ électrique. Les électrons sont si mobiles, en fait, qu'ils sont parfois décrits par les scientifiques comme un gaz d'électrons , ou même une mer d'électrons dans lequel reposent les noyaux atomiques. Cette mobilité des électrons explique certaines des autres propriétés communes des métaux :une bonne conductivité thermique, une malléabilité et une ductilité (facilement formées en différentes formes) et une finition brillante à l'état pur.

Heureusement, la physique derrière tout cela n'a pratiquement aucun rapport avec nos objectifs ici. Qu'il suffise de dire que certains matériaux sont de bons conducteurs, certains sont de mauvais conducteurs et certains sont entre les deux. Pour l'instant, il suffit de comprendre simplement que ces distinctions sont déterminées par la configuration des électrons autour des atomes constitutifs du matériau.

Une étape importante pour que l'électricité réponde à nos attentes est de pouvoir construire des chemins pour que le courant circule avec des quantités contrôlées de résistance. Il est également extrêmement important que nous puissions empêcher le courant de circuler là où nous ne le souhaitons pas, en utilisant des matériaux isolants. Cependant, tous les conducteurs ne sont pas identiques, et tous les isolants non plus. Nous devons comprendre certaines des caractéristiques des conducteurs et des isolants courants, et être en mesure d'appliquer ces caractéristiques à des applications spécifiques.

Presque tous les conducteurs possèdent une certaine résistance mesurable (types spéciaux de matériaux appelés supraconducteurs ne possèdent absolument aucune résistance électrique, mais ce ne sont pas des matériaux ordinaires, et ils doivent être maintenus dans des conditions particulières pour être supraconducteurs). En règle générale, nous supposons que la résistance des conducteurs d'un circuit est nulle et nous nous attendons à ce que le courant les traverse sans produire de chute de tension appréciable. En réalité, cependant, il y aura presque toujours une chute de tension le long des voies conductrices (normales) d'un circuit électrique, que nous voulions ou non une chute de tension :

Afin de calculer quelles seront ces chutes de tension dans un circuit particulier, nous devons être en mesure de déterminer la résistance d'un fil ordinaire, en connaissant la taille et le diamètre du fil. Certaines des sections suivantes de ce chapitre traiteront des détails de cette opération.

AVIS :

• La conductivité électrique d'un matériau est déterminée par la configuration des électrons dans les atomes et les molécules (groupes d'atomes liés) de ce matériau.
• Tous les conducteurs normaux possèdent une certaine résistance.
• Le courant circulant dans un conducteur avec (n'importe quelle) résistance produira une certaine chute de tension sur toute la longueur de ce conducteur.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les conducteurs et les isolants
• Fiche de travail sur la résistance spécifique des conducteurs