Conduction
Informations clés & Résumé
- La conduction est le transfert d’énergie d’un atome à un autre par contact direct
- Il existe trois principaux types de conduction: la conduction ionique, la conduction électrique et la conduction thermique
- Les solides sont les conducteurs les plus efficaces, les gaz étant les pires – ceci est-ce parce que les particules sont beaucoup plus proches les unes des autres
Qu’est-ce que la conduction?
La conduction est définie comme le transfert d’énergie d’un atome à un autre par contact direct – cela peut être par conduction ionique, conduction électrique ou conduction thermique. La conduction peut se produire dans les solides, les liquides et les gaz – les solides se conduisent plus efficacement car les molécules sont beaucoup plus proches les unes des autres que dans d’autres états, comme le montre l’image ci-dessous.
Les particules dans un solide sont dans une position relativement fixe et les liaisons entre elles sont très fortes. Cela signifie que la conduction d’énergie d’une particule à une autre est la plus efficace sous cette forme.
Les particules dans un liquide n’ont pas de position fixe et les liaisons entre elles ne sont donc pas aussi fortes. Cela rend les liquides mauvais conducteurs.
Les particules d’un gaz sont beaucoup plus éloignées, ce qui signifie que le transfert d’énergie est très inefficace. Ce sont donc de très mauvais conducteurs.
Conduction ionique
La conduction ionique est définie comme le mouvement d’un ion d’un “site” à un autre. Ceci est possible grâce à des “défauts” dans la structure du réseau d’un solide ou d’une solution aqueuse – ces défauts permettent aux ions de se déplacer dans un champ électrique. Comme vous pouvez le voir sur l’image ci-dessous, il y a une “vacance” qui permet aux ions de se déplacer.
Certains solides possèdent une conductivité ionique très élevée, ce qui est utile dans l’électronique à semi-conducteurs comme les ordinateurs et les téléphones portables. C’est également un processus utile dans les batteries normales et rechargeables et les piles à combustible.
Les sels ioniques peuvent également être dissous en solution, ce qui permet alors à un courant électrique de circuler. Dans ce cas, les ions sont à la fois chargés électriquement et mobiles, ce qui en fait de bons porteurs de charge. Les sels solides ne conduisent pas l’électricité car ils n’ont tout simplement aucun support de charge mobile.
Conduction électrique
Dans les métaux, la conductivité électrique peut résulter du mouvement de particules chargées électriquement. Les atomes de métal ont tous des électrons de valence – ce sont des électrons qui se trouvent dans l’enveloppe extérieure de chaque atome, mais ils sont “libres” de se déplacer dans toute la structure. Le mouvement de ces électrons libres est ce qui permet au métal de conduire un courant électrique. Lorsqu’ils sont libres de se déplacer, on parle de délocalisation. Sans influence extérieure, ils se déplacent de manière aléatoire dans toute la structure.
Un potentiel électrique peut être appliqué à un métal, généralement à partir d’une batterie, et formera un circuit électrique. Cela provoque une dérive nette des électrons qui circulent autour du circuit. Plus ce potentiel électrique est élevé, plus le flux d’électrons sera élevé.
Un métal à 12 coordonnées est un métal dans lequel les atomes sont si étroitement emballés qu’il y a autant d’atomes que possible remplissant l’espace disponible. Cette configuration signifie que chaque atome de la structure touchera 12 autres atomes dans l’espace 3D. Les images ci–dessous montrent comment un atome particulier aura 6 autres le touchant dans le même calque, 3 dans le calque ci-dessus et 3 dans le calque ci-dessous – cela donne un total de 12, d’où le nom.
Une autre configuration est le métal à 8 coordonnées, qui se trouve le plus souvent dans le groupe 1 du Tableau périodique. Ceux-ci sont moins serrés les uns contre les autres et, en tant que tels, chaque atome ne touche que 8 autres dans l’espace 3D.
Des semi-conducteurs existent également. Ce sont des substances dans lesquelles la conductivité se situe quelque part entre un conducteur et un isolant, comme le silicium et le carbone. Dans leur état naturel, ils sont des conducteurs relativement pauvres mais peuvent être soumis à un “dopage” – c’est un processus dans lequel des impuretés sont ajoutées à un semi-conducteur. Un semi-conducteur dopé est alors appelé semi-conducteur extrinsèque qui conduit beaucoup mieux l’électricité qu’un semi-conducteur standard.
Conduction thermique
La conduction thermique (parfois aussi appelée conduction thermique) se produit lorsque des particules en mouvement rapide interagissent avec leurs particules voisines, transférant ainsi une partie de leur énergie cinétique. Ce processus se produit des régions à température plus élevée aux régions à température plus basse. Il y a 4 choses principales qui affectent la vitesse à laquelle la chaleur est conduite:
- La différence de température entre les deux régions
- La “longueur” de la région
- La section transversale de la région
- Le matériau dans lequel se déroule le processus
Les solides métalliques conduisent la chaleur le mieux, tandis que les gaz conduisent la chaleur le pire. Cela est dû au fait que les particules d’un solide sont si proches qu’une collision, et donc un transfert d’énergie thermique, est incroyablement probable. Ce sont de bons conducteurs thermiques pour exactement les mêmes raisons qu’ils sont de bons conducteurs électriques. C’est pour cette raison que plus la densité du solide est élevée, mieux il conduira l’énergie thermique.
Il est important de se rappeler que l’énergie est transférée d’une particule à une autre et qu’il n’y a pas de mouvement global des particules dans le processus.
