Chapitre 2 - Conduction électrique dans les solides ; Structure de l’atome

Chapitre 2 - Conduction électrique dans les solides ; Structure de l’atome

Au cours du chapitre précédent, on a parlé des métaux. Il y a une propriété que j’ai volontairement négligée et qui pourtant est intimement liée aux métaux. Si je l’ai négligée, c’est parce qu’on va longuement en parler maintenant : C’est la conduction (ou non) du courant électrique.

I. Tous les solides conduisent-ils le courant électrique ?

Et certains le conduisent-ils mieux que d’autres. A votre avis, qu’en pensez-vous ? Hypothèse : ...

1) Protocole expérimental

Comment allez-vous tester si un matériau conduit le courant électrique ? On réalise le circuit suivant :

2) Observations et interprétation

Solide Cuivre Fer Verre Aluminium Plastique Zinc

La lampe

brille-t-elle ? oui oui non oui non oui

Intensité mesurée (mA)

Conduit le

courant ? oui oui non oui non oui

Quel est le point commun aux matériaux testés qui conduisent le courant ? Ce sont des métaux.

Y a-t-il des matériaux qui ne conduisent pas le courant ? Qu’ont-ils de particulier ? Oui, les non-métaux testés ne conduisent pas le courant.

Que dire de notre hypothèse ? ...

3) Conclusion

En testant tous les matériaux, on pourrait vérifier que

Tous les métaux conduisent le courant électrique (conducteurs).

Certains solides ne conduisent pas le courant (isolants).

4) Quel est le meilleur conducteur électrique ?

Tous les métaux ne conduisent pas aussi bien le courant électrique.

Parmi les quatre métaux testés, le cuivre et l’aluminium sont les meilleurs conducteurs électriques.

Pourquoi les métaux conduisent-ils le courant ? Et comment ça se passe ? Qu’est-ce que le courant électrique ? Pour cela, on va parler un peu de la...

Si le solide est conducteur, le circuit sera fermé et un courant électrique va circuler. (La lampe va briller et on va lire une intensité à l’ampèremètre.)

S’il ne conduit pas le courant, le circuit sera ouvert et il ne se passera rien.

+ - G

A A

COM

pinces crocodiles

Solide à tester

II. De quoi les atomes sont-ils constitués ?

B] Depuis 1733, on sait que l’électricité est liée à la présence dans la matière de 2 types de charges électriques : les charges positives et les charges négatives.

Une charge positive attire une charge négative (et inversement).

Deux charges positives se repoussent. Deux charges négatives aussi. Lorsque la matière n’attire pas les charges électriques, on dit que sa charge est neutre.

a) Comment Thomson établit-il que les électrons portaient une charge électrique négative ? Il parla de charge négative parce que les électrons étaient attirés par la borne positive d’une pile.

b) Pourquoi devait il y avoir également une charge positive dans l’atome ? Il devait y avoir une charge positive dans l’atome car il est n’est globalement pas chargé, il faut donc une charge électrique positive pour compenser la charge négative de l’électron.

c) Qu’y a-t-il entre les électrons et le noyau ? Qui en apporta la preuve ? Entre le noyau et les électrons, il y a du vide. Ce fut prouvé par Rutherford.

d) Comparez les diamètres du noyau et de l’atome : Combien de fois l’atome est-il plus grand que le noyau ? L’atome est 100 000 fois plus grand que le noyau, comme une épingle au milieu d’un terrain de football. Les électrons sont encore plus petits -> VIDE ! E] Au début du XXe siècle, d’importantes découvertes ont permis de réparer les imperfections de ce modèle.

Les travaux de Max Planck et Niels Bohr montrèrent que les électrons ne peuvent se trouver qu'à des distances bien précises du noyau.

Les découvertes les plus récentes, par De Broglie d'abord, et par Heisenberg et Schrödinger ensuite, ont montré de plus qu'on ne peut jamais savoir où se trouve l'électron exactement, mais qu’on peut seulement étudier la probabilité de le trouver sur des orbites bien précises. L'étude de ces probabilités a mené à un nouveau domaine de la physique : la mécanique quantique.

D] En 1910, E. Rutherford prouva que ce modèle était faux en bombardant une feuille d'or avec des particules  (particules de charge positive émises par radioactivité) et en constatant qu’une petite partie de ces particules étaient déviées, le reste passant à travers la feuille d’or.

Il en déduisit que la charge (+) de l’atome était concentrée en un point précis (qu’il appela « noyau ») où ces particules  déviées s’étaient « cognées » et que le reste de l’atome (la majorité) était constituée de vide.

Il proposa un nouveau modèle : Des électrons tournent autour du noyau chargé positivement, comme des planètes autour du soleil. Entre les électrons et le noyau : du vide. (C’est-à-dire rien !)

A] J. Dalton (en 1805), inspiré par le grec Démocrite, pensait que les atomes étaient des sphères indivisibles.

Figure 1 - Les atomes selon Dalton

Figure 2 - L'atome de Thompson

noyau électron

Figure 3 - L'atome de Rutherford

Figure 4 - Ordres de grandeur de l'atome

C] J. J. Thomson réussit à extraire d’un atome en 1881, une particule infiniment petite (beaucoup plus petite que l’atome), qui a la propriété d’être attirée par la borne (+) d’une pile. Il la baptisa électron, possédant une charge électrique négative (car attirée par les charges électriques positives).

Donc un atome contient des électrons, chargés négativement.

Les atomes n’étant pas attirés par une borne (+) (donc possédant une charge neutre), il fallait dans l’atome une charge positive pour compenser la charge négative des électrons.

Thompson conçut donc un modèle (surnommé modèle du pudding) où l'atome était une espèce de pâte, chargée positivement dans laquelle se trouvaient des électrons, chargés négativement.

noyau

Que devons-nous savoir de la structure de l’atome ?

Il existe des charges électriques positives et négatives (comme les bornes d’une pile) qui s’attirent l’une l’autre.

Un électron est une particule qui porte une charge négative. (Charge (-)).

Remarque : Deux charges positives se repoussent. Deux charges négatives aussi.

L’atome est constitué d’un noyau, chargé positivement, autour duquel se trouvent des électrons, chargés négativement. Entre le noyau et les électrons, il y a : du VIDE ! (Pas d’air !)

L’atome est électriquement neutre : La charge négative des électrons compense la charge positive du noyau.

La cohésion de l’atome est due à l’attraction entre les électrons et le noyau.

Le diamètre d’un atome est de l’ordre de 0,1 nm, c’est-à-dire 0,000 000 000 1 m.

Chacun des 98 éléments existants sur Terre est caractérisé par un nombre de charges positives du noyau bien précis.

(98 éléments rencontrés dans la nature, 80 stables, sinon, plus d’une centaine. (118))

Exemple : Nombre de charges positives du noyau d’un atome de fer : 26

(C’est vrai pour tous les atomes de fer, et c’est faux pour tous les autres éléments.) Nombre d’électrons dans un atome de fer ? 26 !

Les molécules sont également électriquement neutres car ce sont des associations d’atomes.

Le but de tout ça était d’expliquer la conduction électrique dans les métaux, c’est ce qu’on va voir maintenant.

III. Interprétation de la conduction électrique dans les métaux.

1) Electrons libres Prenons un morceau de cuivre :

Dans un métal, certains électrons sont peu attirés par le noyau (car « éloignés »). Ils se déplacent sans cesse d’un atome à l’autre. On les appelle des électrons libres.

Attention ! On n’a pas représenté tous les électrons sur ce schéma. (29 par atome de cuivre.) Enveloppe fictive

électron libre

électrons

noyau

atome de cuivre

2) Conduction électrique

Plaçons ce morceau de cuivre dans un circuit électrique :

Les électrons (chargés négativement) sont attirés par la borne (+) du générateur et se déplacent alors tous dans le même sens.

Le courant électrique dans un métal est dû à un déplacement d’électrons (libres) de la borne (-) du générateur vers la borne (+) (sens inverse du sens conventionnel du courant).

sens de déplacement des électrons

- +

G

I