conduction électrique

 

La conduction est une facilité de circulation de l’énergie (donc propension à produire des électrons)

LES CONDUCTEURS ÉLECTRIQUES

Un conducteur est un matériau laissant circuler facilement les électrons, avec le cas extrême de supraconduction (absence de résistance électrique)-

A l’autre extrême, on trouve l’isolant, totalement résistant, qui ne laisse presque rien passer.

Les conducteurs sont les corps qui contiennent des électrons ou des ions +

Il s'agit essentiellement de métaux (les atomes y perdent leurs électrons), de liquides métalliques, d'électrolyteset solutions contenant des ions et enfin des gaz ionisés (plasmas)

On a établi 4 classes de corps, qui se distinguent surtout par des valeurs différentes de

leur résistivité ρ (et à l’échelle microscopique, c’est un problème de répartition des électrons sur des bandes d’énergie)

1.>> Un bon conducteur correspond aux valeurs de ρ entre 10-8 à -7 Ω-m

Un Feeder est un conducteur de structure quelconque, transportant sans perte notable un courant depuis un producteur jusqu’à un utilisateur

2.>> Un moyen conducteur (résistivité ρ valant de 10-6 à -5 Ω-m) Par ex. les semi-métaux

3.>> Un semi-conducteur

Voir leur chapitre plus détaillé aux appareillages électriques (leur résistivité ρ valant de 10-4 à +7 Ω-m )

4.>> Un isolant (qui est dit diélectrique), est un matériau très réticent au passage des électrons.

On y distingue :les isolants moyens (ρ valant de 108 à 12 Ω-m )-

-les bons isolants (ρ valant de 1013 à 14 Ω-m) et les excellents isolants (ρ valant >1014 Ω-m)

 

Les supra-conducteurs font l'objet d'un chapitre spécial 

 

Voir aussi chapitre spécial Etat diélectrique

 

LA CONDUCTION ELECTRIQUE STRICTO SENSU

est une grandeur : c'est l'énergie conduite

Dimensions : L2.M.T-2    Symbole de désignation E    Unité S.I.+ = J

Elle est calculable par les lois d'Ohm ou assimilées

 

LA CONDUCTANCE ELECTRIQUE

est la composante (partie réelle) de l'admittance

L'admittance électrique est l’inverse de l’impédance électrique en courant alternatif

Elle a une composante réelle dénommée conductance (Yd) qui donc est utilisée aussi bien en continu qu'en alternatif -puisqu'elle est réelle-

Equation aux dimensions de conductance : L-2.M-1.T3.I2      

Symbole de désignation : Yd    Unité S.I.+ : le Siemens (S)

Relations avec autres unités :

1 milliampère par Volt vaut 10-3 S

1 unité c.g.s.e.s valait 1,112.10-12 S

 

RELATIONS BASIQUES

-relation avec l'impédance (courant alternatif)

 Y = cos phi / Z

avec Yd(S)= conductance

Z(Ω)= impédance électrique

φ(rad)= angle de déphasage du courant alternatif

La conductance est l'inverse de la résistance (en courant continu)

 

-relation avec le voltage

Yd = i / U    où i(A)= intensité et U(V)= voltage

 

-cas d'une solution

Yd = σ'.S / l

avec Yd(S)= conductance d’un conducteur de longueur l (m)

S(m²)= section du conducteur

σ'(S/m)= conductivité électrique

 

-nota: il n'y a pas de Conductance magnétique, puisqu’il n’y a pas de courant en magnétisme et on ne peut donc parler d’une grandeur qui en favoriserait l’écoulement

 

LA CONDUCTIVITE ELECTRIQUE

Parfois dénommée Conductance linéique, c’est l’expression de la facilité à faire circuler des charges sur une certaine distance

Equation aux dimensions structurelles : L-3.M-1.T3.I2

Symbole de désignation : σ ‘ Unité S.I.+ : Siemens par mètre (S / m)

Relations avec d'autres unités : 1 unité c.g.s.e.s valait 1,112.10-7 S/m

1 mégaSiemens par centimètre vaut 108 S/m

1 milliSievens par centimètre vaut 10-1 S/m

 

-aspect macroscopique

σ' = Yd / l     et     σ' = ρ* / E

où σ‘(S/m)= conductivité électrique d’un conducteur homogène

Yd(S)= conductance de ce conducteur entre 2 points distants de l(m)

ρ*(A/m²)= densité superficielle de courant

E(V/m)= champ électrique d’induction

 

-aspect microscopique

 σ' = h*v.e².t / m

où σ'(S/m)= conductivité électrique

h*v(électrons/m3) = densité volumique d’électrons

e(C)= charge élémentaire (1,6021733.10-19 C)

t(s)= temps entre 2 collisions consécutives d’un électron avec 2 phonons

m(kg)= masse électronique

 

CONDUCTIVITE dans DIVERS MILIEUX

-conductivité dans les cristaux

σ' = νd.n².e² / k.T.V 

où σ' (S/m)= conductivité locale

νd(m²/s)= coefficient de diffusivité dans le cristal

n= nombre de charges élémentaires e(C)

k(J/K)= constante de Boltzmann

T(K)= température absolue

V(m3)= volume concerné

 

-conductivité dans un électrolyte

σ' = Z.e.bi.n   

où σ'(S/m)= conductivité électrique d’un électrolyte

Z= nombre de charge (n° atomique)

e(C)= charge élémentaire (1,6021733.10-19 C)

bi(T-1/mètre cube)= mobilité volumique de charges

n= nombre total d’ions

 

-conductivité dans un plasma

σ' = h*v .(Σe)².t / m

où σ’(S/m)= conductivité électrique du plasma

h*v(part/m3)= densité volumique de particules

Σe(C)= charge élémentaire moyenne

t(s)= temps entre 2 collisions consécutives de particules

m(kg)= masse moyenne du plasma

 

-conductivité dans un semi-conducteur

σ' = e(F*é.né+ F*t.nt) 

où s’(S/m)= conductivité électrique

e(C)= charge élémentaire (1,6021733.10-19 C)

F*é et t(T-m3)-1= mobilité volumique d'électrons (indicés é) et de trous (indicés t)

néet nt (nombres)= quantité d’électrons et de trous

La loi de Widerman-Franz n'est plus vérifiée dans les semi-conducteurs;

il faut la remplacer par F*m= σ'.£² / T  

où σ'(S/m)= conductivité électrique du corps

£ = coefficient dimensionnel

F'm(A-2)= facteur de mérite électrique

T(K)= température absolue

 

-conductivité d'un diélectrique

Valeurs très faibles (10-6 à -16) S/m

 

RELATIONS entre CONDUCTIVITE et  AUTRES GRANDEURS ELECTRIQUES

-relation avec le champ magnétique

σ' = Q / B.V

où σ'(S/m)= conductivité électrique d’un conducteur homogène

Q(C)= charge électrique

B(T)= champ d’induction magnétique

V(m3)= volume impliqué

-relation avec la résistivité

σ' = 1 / ρ

où σ'(S/m)= conductivité électrique

ρ(Ω-m)= résistivité électrique

 

RELATION ENTRE LES CONDUCTIVITÉS (ÉLECTRIQUE et THERMIQUE)

La loi de Wiedermann-Franz établit cette relation :

δ' / σ' = F'm.T

où σ'(S/m)= conductivité électrique du corps

δ'(K/W-m)= conductivité thermique d’un corps, conducteur de chaleur et de charges électriques

F'm(A-2)= facteur de mérite électrique

T(K)= température absolue

on peut aussi écrire  cette loi >>> σ' / δ' = K.T [(k.Yd) / Q]² 

Q(C)= charge du conducteur

K = constante liée à la forme du corps

k(J/K)= constante de Boltzmann (1,3806503. 10-23 J / K)

Yd(S)= conductance électrique du conducteur

autres notations identiques à ci-dessus

 

VALEURS PRATIQUES de CONDUCTIVITÉ ÉLECTRIQUE(en S/m)

Isolants(10-6 à -16)--Métaux(5.107 à 2.109)--Globe terrestre(10-1 en moyenne, dont silicates 5.10-2 et le noyau # 10-4)--Fibre de verre(1017)--

Semi-conducteurs(10-4 à +7)--

Corps humain: peau(0,0002), sang(0,7), autres tissus corporels (0,2)

 

SUPRACONDUCTIVITÉ et LÉVITATION

Voir le chapitre spécial