Conductivité Électrique et Thermique
La conductivité thermique et électrique des métaux présente un comportement particulier en fonction de la température. À une température donnée, ces conductivités sont proportionnelles. Cependant, une augmentation de la température accroît la conductivité thermique tout en diminuant la conductivité électrique. Cette dynamique est définie par la loi de Wiedemann-Franz.
La Loi de Wiedemann-Franz
La loi de Wiedemann-Franz établit que le rapport entre la contribution électronique de la conductivité thermique (k) et la conductivité électrique (σ) d’un métal est proportionnel à la température (T). Cette relation s’explique qualitativement par le fait que le transport de chaleur et d’électricité implique tous deux les électrons libres dans le métal. La conductivité électrique diminue avec l’augmentation de la vitesse des particules car les collisions détournent les électrons du transport direct de charge. Inversement, la conductivité thermique augmente avec la vitesse moyenne des particules, favorisant le transport d’énergie.
Applications et Limitations de la Loi
Bien que la loi de Wiedemann-Franz soit généralement respectée à haute température, elle ne s’applique pas de manière fiable dans les régions de basse et moyenne température à cause de la diffusion inélastique des porteurs de charge. Il est important de noter que la corrélation entre les conductances électrique et thermique ne s’applique pas aux autres matériaux, en raison de l’importance accrue des porteurs de phonon pour la chaleur dans les non-métaux.
Conductivité Électrique
La conductivité électrique, une propriété physique des matériaux, indique la capacité d’un matériau à conduire un courant électrique. L’unité SI de conductivité électrique est le Siemens par mètre (S/m). Elle est déterminée par plusieurs facteurs, notamment la densité et la mobilité des porteurs de charge (comme les électrons ou les ions), la structure du matériau, la température et d’autres facteurs environnementaux.
Utilisations et Matériaux
Les matériaux à haute conductivité électrique, tels que les métaux, certains types de sels et de solutions, sont couramment utilisés dans des applications électriques et électroniques pour transporter le courant électrique avec une résistance ou une perte d’énergie minimales. D’autres matériaux, à faible conductivité électrique comme les isolants et les semi-conducteurs, sont utilisés dans des applications où ils peuvent contrôler ou manipuler le flux de charge électrique.
Conductivité Thermique
La conductivité thermique de la plupart des liquides et solides varie avec la température, et pour les vapeurs, elle dépend également de la pression. Les métaux, étant des solides, possèdent une structure cristalline où les ions (noyaux avec leurs couches électroniques de cœur) occupent des positions équivalentes dans le réseau cristallin. En général, les métaux ont une haute conductivité électrique et thermique, ainsi qu’une haute densité. Le transport de l’énergie thermique peut donc être dû à deux effets : la migration des électrons libres et les ondes de vibration du réseau (phonons).
