Grande Encyclopédie Larousse 1971-1976Éd. 1971-1976
C

conducteur (suite)

Dans la réalité, le milieu isolant entourant les conducteurs présente toujours une certaine conductibilité, et les potentiels ne peuvent être maintenus constants que par un apport permanent de charge et d’énergie. Néanmoins, les propriétés précédentes subsistent à titre de très haute approximation si la résistivité du milieu isolant est grande par rapport à celle des conducteurs. Elles restent encore valables le plus souvent lorsque les conducteurs sont parcourus par des courants intenses. Par exemple, elles s’appliquent très bien à une ligne de transport d’énergie.

Lorsqu’un système électrostatique a subi une modification, il retourne à son état de régime au bout d’un temps variable pour chacun des milieux qui le constituent, de l’ordre de τ = єρ, є étant la permittivité dudit milieu et ρ sa résistivité. Pour l’eau ordinaire, qui se comporte en général comme un conducteur, τ ≃ 10–8 s, mais pour l’huile, τ ≃ 1 s. Ainsi, l’huile d’un câble se comportera comme un isolant sous tension alternative 50 Hz et comme un conducteur très résistant sous tension continue, ce qui change complètement la répartition du champ électrique dans l’isolation.

Les charges électriques ou plutôt les particules porteuses de charge, mobiles dans un conducteur, peuvent être de nature différente : il existe deux types de mécanisme de passage du courant. En effet, on distingue la conduction électronique, parfois appelée aussi conduction métallique, et la conduction électrolytique ou ionique.


Conduction électronique

Elle est de règle dans les métaux. En effet, un cristal métallique est constitué par un édifice d’ions positifs, à distribution régulière et périodique dans l’espace, formant ainsi un réseau cristallin ; un nombre assez élevé des électrons qui assurent la neutralité électrique et la cohésion de l’ensemble circule librement entre ces ions quasi immobiles, sans toutefois pouvoir sortir du cristal.

En l’absence de tout courant, les électrons libres ont une agitation désordonnée, la vitesse d’un électron dans son mouvement individuel pouvant dépasser 1 000 km/s. Bien entendu, la résultante de ces vitesses pour l’ensemble des électrons libres est nulle à tout instant. Cette agitation est comparable à celle des molécules d’un gaz enfermé dans un récipient ; aussi dit-on que les électrons libres forment un gaz électronique.

Sous l’action d’un champ électrique, ces électrons prennent un mouvement d’ensemble orienté, créant le courant électrique ; pour cette raison, on les appelle électrons de conduction. La vitesse de ce mouvement d’ensemble est très petite, de l’ordre du millimètre par seconde. Elle paraît ridiculement faible vis-à-vis des vitesses de l’agitation désordonnée, mais elle seule compte dans l’explication de beaucoup de phénomènes du courant électrique.

Dans la conduction électronique, le courant électrique ne s’accompagne d’aucun déplacement de matière ; de plus, comme les électrons portent une charge négative, leur mouvement d’ensemble a lieu en sens inverse du sens conventionnel du courant.


Théorie quantique de la conduction électronique

La théorie quantique nous indique que, dans le cas d’un atome isolé, les électrons ne peuvent prendre que certains niveaux d’énergie, un niveau étant rempli lorsqu’il possède deux électrons ; dans le cas d’un cristal contenant un très grand nombre d’atomes, ces niveaux d’énergie s’élargissent en bandes contenant un grand nombre de niveaux très voisins. Le remplissage de ces bandes par des électrons se fait par ordre d’énergie croissante, mais, dans un conducteur, la dernière bande, appelée bande de conduction, est incomplètement remplie.

Créer un courant, c’est mettre en mouvement des électrons ; c’est donc augmenter leur énergie cinétique ; cela revient à les faire passer à des niveaux d’énergie supérieure permis et inoccupés.

Cela est facile pour les électrons de la bande de conduction, car les niveaux permis inoccupés sont très voisins des niveaux occupés. Théoriquement, dans un cristal parfait, les variations d’énergie sont pratiquement continues, et la conductivité devrait être infinie ou la résistivité, son inverse, devrait être nulle.

En fait, la résistivité n’est pas nulle pour plusieurs raisons.
— L’agitation thermique des ions détruit l’ordre parfait de leur répartition dans l’espace, ce qui explique la proportionnalité de la résistivité et de la température absolue.
— Un cristal parfait n’existe pas ; il manque certains ions dans l’édifice, et d’autres sont surnuméraires. De plus, il existe des dislocations, que peuvent modifier des traitements mécaniques et thermiques.
— Des atomes différents, dus à des impuretés, peuvent être à l’origine d’imperfections dans l’édifice cristallin, ce qui explique la grande résistivité des alliages.

Lorsque la bande d’énergie la plus élevée contenant des électrons est entièrement remplie, on se trouve en présence d’un isolant* ou d’un semi-conducteur*.


Conduction électrolytique ou ionique

Ce second mode de conduction intéresse les corps électrolysables, acides, bases, sels, qui sont des composés ioniques. En solution dans un solvant ionisant tel que l’eau ou fondus, les ions associés dans la molécule de façon à assurer la neutralité électrique se séparent et peuvent se déplacer les uns par rapport aux autres. Placés dans un champ électrique, les ions positifs, ou cations, se déplacent dans le sens du champ, sens conventionnel du courant, et les ions négatifs, ou anions, en sens inverse. Le passage du courant s’accompagne donc d’un transport de matière.

Cette migration des ions est très lente et elle est, en général, masquée ; on observe alors seulement des réactions chimiques au niveau des électrodes lorsque les ions y arrivent et s’y déchargent (v. électrolyse). On appelle mobilité d’un ion le quotient de sa vitesse de migration par le module du champ électrique. (V. ion.)

N. F. et A. T.