Propriétés des conducteurs électriques
Un conducteur électrique est un matériau qui permet aux charges électriques de se déplacer facilement à travers lui lorsqu'il est soumis à une différence de potentiel. Les conducteurs électriques sont essentiels pour de nombreuses applications, telles que le câblage, les lignes de transmission, les machines électriques, les éléments chauffants, le blindage électrostatique, et plus encore. Dans cet article, nous explorerons les propriétés des conducteurs électriques, leurs types, exemples et applications.
Qu'est-ce qu'un Conducteur Électrique?
Un conducteur électrique est défini comme un matériau qui possède des électrons ou des ions libres capables de transporter du courant électrique lorsque un champ électrique est appliqué. La capacité d'un matériau à conduire l'électricité s'appelle la conductivité. L'opposé d'un conducteur est un isolant, qui a très peu ou pas d'électrons ou d'ions libres et ne permet pas au courant électrique de circuler à travers lui.
La conductivité d'un matériau dépend de plusieurs facteurs, tels que sa structure atomique, sa température, ses impuretés et les influences externes. Généralement, les métaux ont une haute conductivité car ils ont de nombreux électrons libres dans leur couche externe qui peuvent se déplacer facilement d'un atome à l'autre. Quelques exemples de bons conducteurs sont l'argent, le cuivre, l'or, l'aluminium, le fer et le graphite. Les non-métaux ont une faible conductivité car ils ont peu ou pas d'électrons libres dans leur couche externe et tendent à les retenir fermement. Quelques exemples d'isolants sont le caoutchouc, le verre, le bois, le plastique et l'air.
Certains matériaux ont une conductivité intermédiaire entre les conducteurs et les isolants. Ces matériaux sont appelés semi-conducteurs et sont largement utilisés dans l'électronique et la technologie informatique. Quelques exemples de semi-conducteurs sont le silicium, le germanium, le arséniure de gallium, et les nanotubes de carbone.
Propriétés des Conducteurs Électriques
Les conducteurs électriques présentent certaines propriétés communes lorsqu'ils sont en conditions d'équilibre. Ces propriétés sont :
Résistance : La résistance est la mesure de la façon dont un conducteur s'oppose au flux du courant électrique. Elle dépend de la résistivité du matériau, de sa longueur, de sa section transversale et de sa température. La résistivité est la propriété intrinsèque d'un matériau qui détermine sa résistance par unité de longueur et de surface. Elle est inversement proportionnelle à la conductivité. Les conducteurs ont une faible résistivité et une faible résistance, tandis que les isolants ont une haute résistivité et une haute résistance. La résistance cause une partie de l'énergie électrique à être convertie en énergie thermique dans un conducteur. Cela s'appelle le chauffage Joule ou le chauffage ohmique.
Inductance: L'inductance est la mesure de la façon dont un conducteur s'oppose au changement du courant électrique qui circule à travers lui. Elle dépend de la forme, de la taille, de l'orientation et de l'arrangement du conducteur. L'inductance provoque la génération d'un champ magnétique autour d'un conducteur lorsque un courant électrique y circule. Ce champ magnétique peut induire une force électromotrice (FEM) dans le même conducteur ou dans des conducteurs voisins, qui s'oppose au changement de courant. Cela s'appelle l'auto-induction ou l'induction mutuelle, respectivement. L'inductance affecte la distribution du courant et la tension dans un conducteur lorsqu'il est utilisé pour un courant alternatif (CA).
Le champ électrique à l'intérieur du conducteur est nul: Le champ électrique à l'intérieur d'un conducteur parfait est nul car tout champ électrique exercerait une force sur les électrons libres et les accélérerait jusqu'à ce qu'ils atteignent l'équilibre. Dans des conditions d'équilibre, la force nette sur les électrons libres est nulle, et ils ne se déplacent pas. Cela signifie qu'il n'y a pas de différence de potentiel à l'intérieur du conducteur, et tous les points sont au même potentiel. Cette propriété rend les conducteurs adaptés pour le blindage électrostatique des équipements électriques.
La densité de charge à l'intérieur du conducteur est nulle: La densité de charge à l'intérieur d'un conducteur parfait est nulle car toute charge créerait un champ électrique qui repousserait la même charge vers la surface du conducteur. La répulsion électrostatique mutuelle entre les charges de même signe (électrons) les pousse vers la surface extérieure du conducteur, où ils peuvent être aussi éloignés que possible. Cela signifie qu'il n'y a pas de charge à l'intérieur du conducteur, et seule la charge libre existe à la surface.
La charge libre n'existe que sur la surface du conducteur: Comme discuté ci-dessus, la charge libre (électrons) n'existe pas à l'intérieur du conducteur mais uniquement à sa surface en raison de la répulsion électrostatique. La quantité et la distribution de la charge libre à la surface dépendent de la forme et de la taille du conducteur et du champ électrique externe appliqué.
Le champ électrique à la surface du conducteur est normal à la surface: Le champ électrique à la surface d'un conducteur parfait est normal (perpendiculaire) à la surface car toute composante tangentielle ferait bouger les électrons libres le long de la surface jusqu'à ce qu'ils annulent la composante tangentielle. Cela signifie qu'il n'y a pas de composante parallèle du champ électrique à la surface, et seule une composante normale existe.
Types de Conducteurs Électriques
Les conducteurs électriques peuvent être classés en différents types en fonction de leur structure, composition, comportement et application. Quelques types courants sont :
Conducteurs métalliques: Ce sont des conducteurs fabriqués à partir de métaux ou d'alliages qui ont une haute conductivité grâce à leurs électrons libres. Ils sont largement utilisés pour le câblage, les lignes de transmission, les machines électriques, les contacts électriques, etc. Quelques exemples sont l'argent (Ag), le cuivre (Cu), l'or (Au), l'aluminium (Al), le fer (Fe), etc.
Conducteurs ioniques: Ce sont des conducteurs fabriqués à partir de composés ioniques qui ont une haute conductivité grâce à leurs ions libres lorsqu'ils sont dissous dans l'eau ou fondus en état liquide. Ils sont utilisés pour l'électrolyse, les batteries, les piles à combustible, etc. Quelques exemples sont le chlorure de sodium (NaCl), l'hydroxyde de potassium (KOH), l'acide sulfurique (H2SO4), etc.
Conducteurs moléculaires: Ce sont des conducteurs fabriqués à partir de molécules qui ont une haute conductivité grâce à leurs électrons délocalisés ou à leurs orbitales moléculaires qui peuvent se chevaucher. Ils sont utilisés pour l'électronique organique, la nanotechnologie, etc. Quelques exemples sont le graphite (C), les nanotubes de carbone (CNTs), le polyacétylène (PA), etc.
Supraconducteurs: Ce sont des conducteurs qui ont une résistance nulle et une conductivité infinie lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une certaine température critique. Ils présentent également d'autres phénomènes, tels que l'effet Meissner, le courant persistant, la lévitation quantique, etc. Ils sont utilisés pour les aimants supraconducteurs, les ordinateurs quantiques, l'imagerie médicale, etc. Quelques exemples sont le mercure (Hg), le plomb (Pb), l'oxyde de cuivre baryum yttrium (YBCO), etc.
Applications des Conducteurs Électriques
Les conducteurs électriques ont de nombreuses applications dans divers domaines de la science, de l'ingénierie et de la technologie. Quelques applications courantes sont :
Câblage: Le câblage est l'une des utilisations les plus courantes des conducteurs électriques. Il consiste à connecter différents appareils ou composants électriques avec des fils en conducteurs métalliques tels que le cuivre ou l'aluminium. Le câblage permet à l'électricité de circuler d'un point à un autre avec une perte ou une interférence minimale.
Lignes de transmission: Les lignes de transmission sont des fils ou des câbles spécialisés qui transportent du courant alternatif (CA) haute tension (HTA) ou du
