Formation à l’examen : tension, courant, conducteur
par F5FOD, Jean-Pierre Waymel
1. L'atome de Niels BohrPrenons un morceau de cuivre pur. Coupons-le en deux, puis prenons l'une des deux moitiés obtenues et coupons-la encore en deux. Prenons l'un des nouveaux morceaux et coupons-le encore en deux… et continuons de couper !
Arrivé à un certain stade, nous ne pourrons plus couper, enfin si, mais ce ne sera plus du cuivre.
C'est le philosophe Démocrite né vers 460 av. J.-C. à Abdère en Grèce et mort en 370 av. J.-C. qui a effectué le premier cette expérience de pensée. Au passage, il aurait donc vécu environ 90 ans : belle performance pour l'époque !
Comme « Je ne peux plus couper » se dit « ατεμνω » en grec et se prononce « atemno », le mot « atome » est entré dans notre vocabulaire comme la plus petite quantité de matière simple existante. Ici la plus petite quantité de cuivre possible. Depuis cette époque lointaine, le modèle de l'atome a bien évolué et ce n'est pas fini, grâce aux progrès rapide de la mécanique quantique et de la physique des particules.
Dans cette causerie, nous utiliserons le modèle élaboré par Niels Bohr, un très grand physicien danois (1885-1962).
Ce modèle est très simplifié par rapport à ce que nous connaissons aujourd'hui de l'atome mais il sera amplement suffisant pour aborder les notions de courant électrique et de conductibilité. Dans ce modèle, un atome est constitué :
- d'un noyau central composé de protons et de neutrons
- et d'un certain nombre d'électrons qui tournent autour de ce noyau. Les protons sont des particules possédant chacune une même « charge » (quantité d'électricité) positive.
Les électrons sont des particules possédant chacune la même charge qu'un proton mais de signe opposé, donc de signe négatif.
Quand tout est calme dans un atome (!), il y a autant d'électrons que de protons. L'atome est donc électriquement neutre : il n'est ni positif ni négatif.
Les neutrons quant à eux ne sont pas chargés électriquement, d'où leur nom… Les électrons d'un atome se répartissent sur un nombre maximum de 7 couches distinctes appelées K, L, M, N, O, P et Q et numérotées de 1 à 7.
Les règles du Grand Jeu de l'Univers en ce qui les concerne sont les suivantes :
- le nombre maximum d'électrons pouvant résider sur une couche donnée est égal à 2 fois le carré de son numéro ; par exemple la couche M dont le numéro est égal à 3 ne peut contenir plus de 2 × (3 × 3) soit 18 électrons,
- mais s'il s'agit de la dernière couche d'électrons, la couche externe, ce nombre maximum sera égal à 8… sauf pour la couche K où ce nombre sera égal à 2, ce qui est logique puisque de toute façon c'est déjà le maximum d'électrons qu'elle peut posséder.
Tout ceci peut paraître bien compliqué mais le tableau suivant rendra les choses plus claires :
| nom de la couche | K | L | M | N | O | P | Q |
| numéro de la couche | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| nombre maximum d'électrons | 2 | 8 | 18 | 32 | 50 | 72 | 98 |
| 29Cu | 2 | 8 | 18 | 1 | |||
| 47Ag | 2 | 8 | 18 | 18 | 1 | ||
| 78Pt | 2 | 8 | 18 | 32 | 17 | 1 | |
| 79Au | 2 | 8 | 18 | 32 | 18 | 1 |
En noir : les 2 électrons sur la couche K, les 8 électrons sur la couche L et les 18 électrons sur la couche M.
En rouge : l'électron unique sur la couche externe N. 2. La règle des signes
Des particules ayant des charges électriques de signes opposés s'attirent : les électrons sont donc attirés par les protons du noyau. Mais comme ils sont en rotation, la force centrifuge les empêche de « tomber » sur ces noyaux. 3. Un dispositif qui crée une certaine…tension
La force d'attraction entre les protons du noyau et les électrons périphériques est d'autant plus faible que les électrons sont davantage éloignés du noyau.
L'agitation thermique, présente au sein de toute matière, communique à quantité d'électrons externes suffisamment d'énergie pour qu'ils arrivent à se libérer de leurs atomes. C'est pourquoi, au sein de métaux comme le cuivre, l'argent, le platine ou l'or, de nombreux atomes perdent leur électron externe. Imaginons maintenant un dispositif à deux extrémités A et B et qui maintiendrait un excédent d'électrons du côté B et un déficit du côté A. Un déficit de charges négatives est équivalent à un excédent de charges positives.
Et réunissons A et B avec un fil de cuivre :
Considérons trois atomes de cuivre situés dans le fil de cuivre reliant A et B : « a », « b » et « c ». L'agitation thermique a arraché l'électron externe « k » de l'atome « a ».
Sur la dernière couche de chacun des atomes « b » et « c », l'électron solitaire est aussi dessiné en rouge.
L'électron « k » va être puissamment attiré par le pôle A car « + » et « − » s'attirent. Il va rejoindre ce pôle A.
L'atome « a », chargé positivement puisqu'il a perdu un électron donc une charge négative, va attirer à son tour l'électron externe solitaire d'un atome de cuivre tout proche, ici celui de l'atome « b ». Cet électron va alors sauter de l'atome « b » sur l'atome « a » et le rendre neutre.
Idem entre les atomes « b » et « c ».
Le même processus va se répéter jusqu'au pôle B et une circulation d'électrons de B vers A prend naissance dans le fil de cuivre, à l'extérieur du dispositif. Ce dispositif est nommé « générateur de tension ». On indique par un « + » l'extrémité où il y a un déficit d'électrons et par un « − » l'autre extrémité, là où il y a un excédent d'électrons. 4. Le courant électrique
La circulation des électrons est appelé « courant électrique ». L'unité de mesure de ce courant est l'ampère.
Un ampère correspond au passage de 6,24 milliards de milliards d'électrons par seconde !
Sur le schéma, le courant électrique est représenté par le train de petits pois rouges se déplaçant dans le fil de cuivre reliant B à A, de B vers A donc ici de bas en haut. À l'extérieur du générateur, le courant d'électrons va du « − » vers le « + ».
Lors des premières expériences sur l'électricité, du temps des savants Ampère, Volta, etc., on n'avait pas connaissance de l'existence des électrons, entre autres. À cette époque, un sens arbitraire a été choisi pour le courant. Et pas de chance, on a choisi le « mauvais » sens : du « + » vers le « − » à l'extérieur du générateur.
On a conservé ce sens erroné que l'on a baptisé « sens conventionnel » du courant.
Le courant étant souvent appelé I comme « Intensité », nous obtenons le schéma simplifié suivant :
Les matériaux comme le cuivre, l'argent, le platine, l'or ont cette particularité d'avoir une structure atomique possédant un électron célibataire sur la dernière couche, électron facilement « éjectable » par apport d'énergie dû à l'agitation thermique. L'existence des électrons éjectés, ici en très grande quantité, et la propagation d'atome en atome des électrons externes non éjectés permettront la circulation aisée d'un « courant électrique » qui n'est rien d'autre qu'un flux d'électrons comme vu précédemment et ceci dès qu'une tension sera appliquée. Ces matériaux sont appelés tout logiquement « conducteurs » et même ici bons conducteurs (… de ce courant). Certains matériaux n'ont pas cette structure et/ou possèdent très peu l'électrons susceptibles d'être éjectés et de se déplacer. Mis sous tension, le courant électrique y circule extrêmement difficilement : ce sont « des isolants ». Enfin, certains matériaux ne sont ni complètement conducteurs ni complètement isolants : il s'agit « des semi-conducteurs » car ils sont néanmoins plus proches des conducteurs que des isolants. Nous les étudierons quand nous aborderons les diodes et les transistors… à semi-conducteurs. << Causerie précédente Causerie suivante >> << Retour à la table des matières
