Conductivité Électrique et Électrons Libres
La conductivité électrique est une propriété physique des matériaux indiquant leur capacité à conduire le courant électrique. Son unité SI est le siemens par mètre (S/m). Plusieurs facteurs déterminent la conductivité électrique d’un matériau, tels que la densité et la mobilité des porteurs de charge (électrons ou ions), la structure du matériau, la température et d’autres facteurs environnementaux.
Les matériaux à haute conductivité électrique, comme les métaux, certaines sortes de sels et de solutions, sont fréquemment utilisés dans des applications électriques et électroniques, car ils transportent le courant électrique avec une résistance minimale et une perte d’énergie réduite. À l’inverse, les matériaux à faible conductivité, tels que les isolants et les semi-conducteurs, sont utilisés dans des applications où ils peuvent contrôler ou manipuler le flux de charge électrique.
Les Électrons Libres et Leur Rôle
Les électrons libres sont des électrons qui ne sont pas liés à un atome ou une molécule et peuvent se déplacer librement dans un matériau. La conductivité d’un matériau dépend du nombre d’électrons libres disponibles pour transporter la charge électrique. Les matériaux riches en électrons libres, comme les métaux, sont de bons conducteurs d’électricité. Dans les métaux, les électrons de valence sont faiblement liés au noyau atomique, ce qui leur permet de se déplacer librement dans le matériau, rendant les métaux de bons conducteurs.
En revanche, les matériaux avec peu d’électrons libres, comme les non-métaux, sont de mauvais conducteurs. Ces derniers ont des électrons fortement liés qui ne se déplacent pas facilement à travers le matériau, limitant ainsi leur conductivité électrique.
La conductivité électrique peut être définie comme la quantité de tension nécessaire pour faire circuler un courant électrique. Elle dépend largement du nombre d’électrons dans la couche externe; ces électrons déterminent la facilité avec laquelle les électrons mobiles sont générés.
Matériaux à Haute Conductivité
Les matériaux ayant une haute conductivité électrique sont typiquement des métaux et des alliages, ainsi que certains types de sels et de solutions. Cela est dû à leur grand nombre d’électrons libres. Des métaux comme le cuivre, l’aluminium, l’argent et l’or sont reconnus pour leur haute conductivité et sont couramment utilisés dans des applications électriques et électroniques. D’autres métaux et alliages, tels que le tungstène, le platine et le laiton, possèdent également une haute conductivité.
Certains types de sels et solutions ont aussi une forte conductivité électrique grâce à la présence d’ions libres pouvant transporter une charge électrique. Par exemple, des solutions de chlorure de sodium (sel de table) ou d’autres sels peuvent bien conduire l’électricité, tout comme certains types d’acides et de bases.
Flux d’Électrons dans un Fil
Lorsqu’une tension est appliquée à travers un conducteur, un champ électrique est établi, poussant les électrons à se déplacer dans une direction spécifique. Toutefois, les électrons ne se déplacent pas en ligne droite mais plutôt de manière aléatoire à cause des collisions avec les atomes du conducteur. Cette motion aléatoire crée une résistance au flux d’électrons et convertit une partie de l’énergie du champ électrique en chaleur.
Ce mouvement aléatoire donne aux électrons une vitesse moyenne appelée vitesse de dérive. Bien que la vitesse de dérive des électrons dans un conducteur soit relativement lente, elle reste un concept important pour comprendre le comportement des courants électriques dans les conducteurs. La circulation globale de la charge électrique dans un conducteur est déterminée par la combinaison de la vitesse de dérive et du nombre de porteurs de charge se déplaçant à travers le conducteur.
Par exemple, lorsqu’une tension continue est appliquée, la vitesse de dérive des électrons augmente proportionnellement à la force du champ électrique. La vitesse de dérive dans un fil de cuivre de 2 mm de diamètre avec un courant de 1 ampère est d’environ 8 cm par heure. Les tensions alternatives ne provoquent aucun mouvement net ; les électrons oscillent en réponse au champ électrique alternatif.
