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La conduction électrique dans les métaux

Nous savons que les métaux permettent le passage du courant électrique. Est-ce que tous les matériaux sont dans le même cas ? Comment pouvons-nous l'expliquer ?
I. Conduire le courant électrique
• Pour faire briller une lampe, il suffit de construire un petit circuit électrique composé d'une pile dont les extrémités sont métalliques, d'une lampe dont le filament est métallique, et de fils de connexion métalliques entourés d'une gaine en plastique.
•  Les métaux permettent donc le passage du courant électrique. Est-ce que tous les matériaux sont dans le même cas ?
•  Protocole : on réalise un circuit composé d'une pile et d'une lampe (voir le schéma ci-dessous).
Un fil de connexion relie une borne de la pile à une borne de la lampe. De l'autre borne de la pile et de l'autre borne de la lampe, on fait partir deux fils entre lesquels on placera des tiges de différents matériaux.
•  Si le courant circule dans le circuit, la lampe s'allume.
•  Observations :
  • Si l'on ne met rien entre les deux fils, la lampe ne s'allume pas : l'air ne permet pas le passage du courant électrique.
  • Avec des tiges en acier, en cuivre ou en aluminium, la lampe s'allume, les métaux permettent effectivement le passage du courant électrique. Les matériaux qui permettent le passage du courant électrique sont appelés des conducteurs électriques.
  • Avec des tiges en plastique, en verre ou en céramique, la lampe ne s'allume pas. Ces matériaux ne permettent donc pas le passage du courant électrique. Les matériaux qui ne laissent pas passer le courant électrique sont appelés isolants électriques.
  • Enfin, si l'on place un crayon (taillé aux deux extrémités) entre les deux fils, la lampe s'allume. La mine de crayon, en graphite, est un conducteur du courant électrique. Le graphite est d'ailleurs utilisé à l'intérieur des piles rondes où il constitue la borne positive, mais il est recouvert d'une couche de métal pour ne pas noircir les mains de celui qui l'utilise.
•  Conclusion : tous les métaux conduisent le courant électrique. Par contre, tous les solides ne conduisent pas le courant électrique.
II. Pourquoi les métaux sont-ils conducteurs et pas les autres solides ?
1. L'atome
•  L'atome est constitué d'un noyau central chargé positivement autour duquel se trouvent des électrons chargés négativement. Ces électrons constituent le cortège électronique.
•  Le nombre de charges positives portées par le noyau est égal au nombre de charges négatives portées par tous les électrons : l'atome est électriquement neutre.
•  Remarque : comme les molécules sont composées d'atomes, elles sont également électriquement neutres.
•  Il existe dans l'Univers une centaine d'atomes différents. Comment ce modèle, permet-il de les différencier ?
2. Une centaine d'atomes différents
•  Quel que soit le type d'atomes considéré, les électrons sont tous identiques : ils ont tous la même masse et sont tous porteurs de la plus petite charge électrique connue, appelée la charge élémentaire.
•  Un atome de carbone diffère d'un atome d'hydrogène par le nombre d'électrons qui gravitent autour de son noyau. En effet, l'atome d'hydrogène possède 1 électron tandis que l'atome de carbone en possède 6.
•  L'atome d'hydrogène ne compte qu'un seul électron et son noyau porte une seule charge « + ».
•  L'atome de carbone compte 6 électrons et son noyau porte 6 charges « + ».
•  Les différents types d'atomes se différencient donc par leur nombre d'électrons mais aussi le nombre de charges positives portées par leur noyau puisque l'atome est électriquement neutre.
3. Quelques ordres de grandeur
•  Donnons quelques valeurs numériques :
  • la masse d'un électron : 9,1 × 10−31 kg ;
  • la masse d'un noyau : de 10−27 à 10−25 kg ;
  • le diamètre d'un noyau : de l'ordre de 10−15 m ;
  • le diamètre d'un atome : de l'ordre de 10−10 m.
•  Quelles conclusions pouvons-nous en tirer ?
Si nous comparons le diamètre d'un noyau à celui d'un atome, nous constatons que l'atome est environ 100 000 fois plus grand que le noyau : si le noyau était un petit pois de 1 cm, l'atome tiendrait dans une sphère de 1 km de diamètre ! Comme la masse des électrons est très petite devant celle du noyau, cela signifie que la masse de l'atome est concentrée (à 99,97 %) dans son noyau.
•  Toute la masse de l'atome étant quasiment concentrée dans le noyau et l'atome étant beaucoup plus grand que son noyau, le reste de l'atome n'est donc constitué que de vide ! Si on enlevait le vide de tous les atomes de la Terre, celle-ci tiendrait dans une sphère de 150 m de rayon (c'est d'ailleurs, à peu près, l'état dans lequel se trouve la matière dans des étoiles dites étoiles à neutrons !).
•  Avant 1986, il était totalement impossible de visualiser un atome car les microscopes ne permettaient de voir que des détails de l'ordre de 10−6 m. Le microscope à effet tunnel, inventé cette année-là, ne permet pas de les voir directement mais, grâce à lui, on peut interpréter un certain nombre de données jusqu'alors inaccessibles et qui, une fois collectées dans un ordinateur, permettent de recréer des images d'atomes.
4. Le cas particulier des métaux
•  Dans un métal, les atomes possèdent chacun un ou plusieurs électrons faiblement liés au noyau. Ces électrons se déplacent facilement d'un noyau à l'autre au sein du métal, ils sont appelés électrons libres. Les atomes métalliques qui ont chacun un ou plusieurs électrons en moins sont donc des ions positifs.
III. Qu'est-ce que le courant électrique ?
•  Dans un circuit électrique ouvert, il n'y a pas de courant. On pourrait donc penser que les électrons libres sont immobiles. Ce n'est pas du tout le cas : les électrons libres se déplacent, mais de façon totalement désordonnée.
•  Quand on ferme le circuit électrique, un courant électrique s'établit si le circuit comporte un générateur. Sous l'action de ce dernier, tous les électrons libres du circuit se déplacent dans le même sens et la même direction.
•  Dans un circuit électrique, le courant est un mouvement d'ensemble et ordonné des électrons libres mis en action par le générateur.
IV. Le sens du courant
•  Les électrons chargés négativement sont attirés par la borne positive du générateur ; c'est d'ailleurs pour cette raison qu'ils se déplacent ! Ils se déplacent donc de la borne « – » vers la borne « + » du générateur. Nous savons pourtant que le sens conventionnel du courant est le sens opposé : de la borne « + » vers la borne « – » du générateur. D'où vient cette contradiction ?
•  Pour trouver l'explication, il faut revenir à l'histoire de l'électricité. En effet, après l'invention par Volta de la pile en 1800, les scientifiques se rendent compte que quelque chose se déplace dans les circuits électriques. Ils ne savent pas vraiment ce qui se déplace ni dans quel sens puisque l'électron n'a été découvert qu'en 1897. Par analogie avec le courant hydraulique qui se déplace toujours du haut vers le bas, les scientifiques ont décidé, par convention, que le courant se déplaçait de la borne « + » vers la borne « – » du générateur. Avec la découverte de l'électron, ils se sont aperçus que leur choix n'était pas le bon mais, comme l'habitude avait été prise, on travaille toujours de nos jours avec le sens conventionnel du courant et non avec son sens réel qui est celui des électrons.
V. La vitesse de déplacement des électrons
•  Lorsqu'on allume une lampe à incandescence, la lumière jaillit instantanément. On peut donc penser que la vitesse des électrons libres dans le circuit est très grande. Il n'en est rien : la vitesse moyenne d'un électron dans un circuit est de l'ordre de quelques millimètres par minute. Comment expliquer alors que l'allumage soit instantané ?
•  Pour le comprendre, il faut de nouveau rappeler que le courant est un mouvement d'ensemble des électrons libres du circuit. Cela signifie que, dès que l'on ferme le circuit, tous les électrons libres se mettent en mouvement pratiquement ensemble. La mise en mouvement est très rapide (elle s'effectue à une vitesse de l'ordre de 300 000 km/s !) mais le mouvement de chaque électron est très lent.
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