Fiche de physique - chimie
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Conduction électrique dans les solides

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Prérequis
Dans ce chapitre nous ferons appel essentiellement à tes connaissances sur les métaux et le courant électrique

Enjeu
Il faut être capable, à l'issu de ce chapitre, de comprendre la notion d'atomes et la notion de déplacement de charges électriques

I. La structure d'un atome

Un peu d'histoire :

Dès 420 avant J.C., Démocrite (philosophe grec) a l'intuition de l'existence des atomes et invente leur nom (« atomos » en grec qui signifie insécable). Ceux-ci sont très petits, de différentes formes (ronds ou crochus, lisses ou rugueux) et s'associent pour former les objets qui nous entourent.
Aristote (philosophe grec) conteste cette existence et son prestige est tel qu'il faut attendre le début du XIXème siècle pour que cette idée reprenne vie.
En 1805, John Dalton annonce au monde l'existence des atomes.
En 1881, J.J. Thomson découvre l'un des composants de l'atome. Il s'agit de particules élémentaires négatives appelées en 1891 électrons.
Au début du XXème siècle, l'ambition des physiciens est de proposer un modèle de l'atome en précisant la répartition de la charge électrique à l'intérieur de celui-ci.
En 1904, Thomson partant de l'idée que l'atome est électriquement neutre, pense qu'il doit contenir des charges positives qui doivent compenser les charges négatives des électrons. Il suppose que la charge positive est répartie dans un petit volume (qui peut avoir la forme d'une sphère) et qu'elle est parsemée d'électrons (pudding de Thomson).
En 1910, Rutherford bombarde différents échantillons de matière (cuivre, or, argent) avec des particules et il déduit de son expérience que la charge positive doit occuper un tout petit volume qu'il appelle « noyau ». Après « un petit calcul », il trouve que la majorité de la masse de l'atome est concentrée dans un noyau minuscule. Les dimensions du noyau sont de l'ordre de 10-15 m (100.000 fois moins que les dimensions de l'atome) et sa charge totale est un multiple entier de la charge de l'électron (au signe près).
Rutherford pense alors au modèle planétaire pour décrire un atome. En effet, la masse du système solaire est essentiellement concentrée dans le Soleil tout comme celle de l'atome est concentrée dans le noyau. Il propose donc comme modèle un tout petit noyau chargé positivement et comportant l'essentiel de la masse de l'atome, autour duquel les électrons décrivent des orbites.

Modèle retenu :
Un modèle simple d'un atome est constitué d'un noyau autour duquel gravitent des électrons qui forment un nuage électronique.

Conduction électrique dans les solides : image 1


II. Structure d'un atome

Les atomes sont les constituants de la matière. Ce sont des particules extrêmement petites car leur dimension est de l'ordre du dixième de nanomètre.
1 nm = 10-9 m (1 milliardième de m).
Un atome est constitué d'un noyau autour duquel tournent des électrons.

Conduction électrique dans les solides : image 2


Les électrons :
Chaque électron porte une seule charge négative.
Ils sont tous identiques.
Ils forment le nuage électronique.
Ils ont une masse très faible (négligeable).
Ils donnent sa taille à l'atome.

Le noyau :
Contient des charges positives (protons).
Contient presque toute la masse de l'atome.
Est 100 000 fois plus petit que l'atome.

L'atome est électriquement neutre : le nombre de charges positives du noyau est donc égal au nombre de charges négatives des électrons.
Il y a donc autant de protons que d'électrons dans un atome.
Un atome est essentiellement constitué de vide : on dit qu'il a une structure lacunaire.

III. Le courant électrique dans un métal

1) Les solides conducteurs

Expérience :
On réalise le montage suivant en intercalant différents matériaux dans le circuit.

Conduction électrique dans les solides : image 3

Si la lampe s'éclaire, le matériau est conducteur de l'électricité.
Si elle reste éteinte, c'est un isolant électrique.
Cette expérience nous prouve que tous les solides ne conduisent pas le courant électrique.

Par contre, tous les métaux sont des conducteurs électriques.

2) Pourquoi les métaux conduisent le courant

Un microscope à effet tunnel montre que les métaux sont constitués d'atomes rangés de façon ordonnée.

Dans ces atomes, la plupart des électrons sont solidement liés au noyau. Cependant, certains électrons peuvent se déplacer d'un atome à l'autre avec facilité. Ce sont des électrons libres. Dans un métal, le courant électrique est donc dû à la circulation d'électrons libres.

3) Sens de déplacement des électrons

En l'absence de tension électrique :
Conduction électrique dans les solides : image 4


En l'absence de générateur, le mouvement des électrons libres est incessant et désordonné.

On applique une tension aux extrémités :
Conduction électrique dans les solides : image 5


Le générateur du circuit attire les électrons vers le pôle +.

Le générateur provoque un mouvement d'ensemble des électrons libres vers la borne positive du générateur.

Rappel : A l'extérieur du générateur, le sens conventionnel du courant est dirigé de la borne + vers la borne -.

Conclusion : Les électrons libres se déplacent donc dans le sens opposé au sens conventionnel du courant.

Remarque : Les isolants n'ont pas d'électrons libres.
Conduction électrique dans les solides : image 6
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