Pourquoi?

 


electriciteatomistique

Pourquoi les métaux sont-ils conducteurs ?

14/04/2001
Schéma structurel atomique.

D'abord étudions l'atome. L'atome est composé d'un noyau et d'un nuage d'électrons. L'ensemble est de symétrie sphérique à l'image d'un fruit dont la chaire serait le nuage électronique. Le noyau est constitué de deux classes de nucléons (particules du noyau) : les protons qui portent la charge électrique élémentaire positive (+e) qui sont au nombre de Z et les neutrons qui sont neutres comme leur nom l'indique. Quant au nuage électronique, il contient Z électrons qui sont des particules qui portent la charge électrique élémentaire négative (-e). On voit qu'il y a autant de charge positives (Z protons) que de charges négatives (Z électrons), l'atome est un système électriquement neutre donc stable (c'est-à-dire dont la durée de vie n'est pas éphémère). Le nombre Z définit l'élément de l'atome c'est-à-dire son identité : Z=1 pour l'Hydrogène, Z=8 pour l'Oxygène, etc... Tandis que le nombre de neutrons caractérise les isotopes (souvent radioactifs) de l'éléments ; par exemple le Carbone possède normalement 12 neutrons mais son isotope naturel : le Carbone 14 (qui en possède 14) est radioactif.

Force électrique exércée par le noyau sur l'électron.

Les électrons sont répartis en couches sphériques concentriques autour du noyau qui forme le centre de l'atome. Le noyau exerce une force électrique sur chacun des électrons de l'atome afin de les attirer à lui. Les électrons quant-à eux, possèdent une telle vitesse dans leur rotation autour du noyau qui leur permet de ne pas chuter vers ce dernier. Les couches d'électrons sont appelées les orbitales atomiques (car les électrons ont une trajectoire circulaire semblable aux orbites des planètes autour du Soleil) ou encore niveaux d'énergie en référence à l'énergie qu'il faudrait leur fournir pour les libérer de l'emprise de la force électrique qu'exerce le noyau. Cette force étant proportionnelle à la charge portée par l'électron (qui est constante) et à la distance au noyau, tous les électrons d'une couche sont soumis à la même intensité de la force électrique. Et plus la couche est éloignée du noyau, moins la force est grande.

Les couches se remplissent d'un nombre déterminé d'électrons en partant d'abord de la couche interne la plus proche du noyau puis lorsqu'elle est remplie, vers les couches supérieures. Ainsi, en règle générale la couche de surface reste incomplète : c'est la couche de valence. Dans les couches parfaitement remplies, il règne un tel équilibre qu'il est très difficile d'en extraire des électrons. La force électrique liant les électrons au noyau étant inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare, les électrons de surface sont soumis à une force moindre que ceux du coeur de l'atome. Ainsi les électrons de valence (ceux de la dernière couche) sont appelés les électrons libres car ils ont la possibilité de se lier à un autre atome. Les atomes ont toujours tendance à vouloir céder des électrons ou au contraire à en gagner de manière à avoir une couche de surface remplie (« sans trou »), c'est pourquoi ils tendent à partager leurs électrons libres avec d'autres atomes. (Il arrive aussi que dans les solutions aqueuses un atome arrache à un autre un ou plusieurs électrons : il le ionise). On va le voir, de l'atome, ce sont les électrons libres qui expliquent la conductivité électrique.

Edifice cristallin métallique sous l'action d'un champ électrique.
Le champ électrique E créé par une charge q à une distance r est subie par le métal dont les électrons libres régissent par une force F du fait qu'ils ne soient pas neutres électriquemnt.

Un métal est un édifice cristallin (c'est-à-dire parfaitement ordonné) dans lequel les atomes rangés en ordre quasi parfait partagent leurs électrons libres pour former un gaz électronique global entourant les atomes. Si on applique un champ électrique dans ce milieu métallique qui soit supérieur à celui déjà imposé à chaque électron par son noyau respectif, la force électrique subies par les électrons aura pour conséquence de les déplacer. Ce déplacement (circulation lorsque la force s'exerce suffisamment longtemps) d'électrons constitue un courant électrique. Les électrons des orbitales remplies ne participent pas à ce courant.

En conclusion, on peut dire que chaque atome d'un conducteur donne des électrons libres qui forment un gaz électronique. Sous l'action d'un champ électrique, les électrons de ce gaz se déplacent. Il y a alors création d'un courant électrique.


Voir aussi, sur le thème de l'électricité et du modèle atomique :

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