Electron – Conduction électrique dans les métaux – 3ème – Cours – Physique – Chimie – Brevet des collèges
La conduction électrique dans les métaux : l’électron
- Tous les solides conduisent-ils le courant électrique ?
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 ?
Pour répondre à cette question nous allons faire une série d’expérience pour tester la conduction de certains matériaux.
Expérience : on réalise un circuit composé d’une pile et d’une lampe, 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 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.
III. Un nouveau modèle de l’atome :
Pour expliquer la conduction des métaux, les atomes ne suffisent pas. Il est nécessaire de faire l’hypothèse qu’ils contiennent une particule responsable de la conduction : l’électron.
L’atome est constitué au centre d’un noyau qui regroupe toutes les charges positives. Autour de ce noyau se déplacent des électrons contenant chacun une seule charge négative.
La quasi-totalité de l’atome est constituée de vide : le noyau est 100 000 fois plus petit que l’atome : si le noyau était un ballon de 30 cm, l’atome ferait environ la distance Montpellier-Sète (30 km)
L’électron et la conductivité électrique dans les solides :
Dans un métal, les atomes sont empilés régulièrement.
Cela permet à certains électrons de « sauter » d’atome en atome.
En temps normal les électrons se déplacent de façon aléatoire (au hasard) : c’est l’image de gauche.
En revanche, lorsqu’ils sont soumis à une tension, les électrons vont tous se déplacer dans une même direction : vers le pôle “+” du générateur (image de droite).
C’est ce déplacement des électrons qui va former le courant électrique.
Attention : les électrons circulent dans le sens inverse du sens conventionnel du courant.
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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