Pourquoi la conductivité est-elle importante ?

Quiconque passe beaucoup de temps autour d'une piscine découvre rapidement que les gens sont généralement très soucieux d'avoir des appareils électriques près de l'eau - d'autant plus s'ils sont branchés dans.

Cela est vrai, en fait, de la plupart des situations où un réservoir d'eau suffisant existe n'importe où à proximité de flux connus de courant électrique. Grâce à la conductivité de l'eau, le crime diabolique du "grille-pain dans la baignoire" est en quelque sorte un cliché bien-aimé dans les histoires de meurtre-mystère à l'ancienne.

Le point ici n'est pas que vous pouvez vous blesser avec de l'électricité, bien qu'il soit toujours essentiel de garder à l'esprit; c'est que la plupart des adultes alertes, et d'ailleurs les collégiens, savent éviter de mélanger de l'eau avec du courant sous quelque forme que ce soit, qu'ils connaissent ou non la physique. (En fait, certaines idées trop prudentes persistent, comme l'idée que vous risquez de recevoir un choc si vous touchez un interrupteur en plastique lorsque vos doigts sont mouillés.)

Plus importante pour le moment est la question de savoir comment l'électricité « circule » dans au moinsquelqueliquides quand au moinsquelqueles solides peuvent le contenir. Est-ce juste de l'eau qui interagit avec l'électricité de cette façon? Qu'en est-il du lait ou du jus renversé? Et plus généralement, quelles propriétés de la matière contribuent à la valeur de sonconductivité​?

Le phénomène connu sous le nom d'électricité n'est en réalité rien de plus que le mouvement deélectronsà travers une sorte de support physique ou matériel.

Vous ne pensez peut-être pas à l'air comme à un matériau, mais en fait, à l'air riche en diverses molécules que vous ne pouvez pas voir, dont beaucoup peuvent et participent au flux électrique. Vous ne pouvez clairement pas voir les électrons, donc si vous croyez en l'électricité, vous devriez croire que des choses étonnamment minuscules jouent un rôle énorme dans le comportement des matériaux de tous les jours !

Différents matériaux permettent ce passage des électrons - et avec eux, leurs charges électriques - à des degrés différents en fonction de leurs structures moléculaires et atomiques individuelles. Moins les collisions avec d'autres objets minuscules subies par les électrons zippés sont nombreuses, plus elles sont facilement transmises à travers la matière en question.

L'équation générale du flux de courant est

oùjeest le courant en ampères,Vest la différence de potentiel électrique en volts ("tension") etRest la résistance en ohms. La résistance est liée à la conductivité, comme vous l'apprendrez bientôt.

Conductivité, ou plus formellementconductance électrique, est une mesure mathématique de la capacité d'un matériau à conduire l'électricité. Il est représenté par la lettre grecque sigma(σ)et son unité SI (système métrique) est lasiemens par mètre (S/m)​.

• Le siemens est aussi appelé unmho, qui est "ohm" épelé à l'envers. Cependant, ce terme était tombé en désuétude à la fin du 20e siècle.

La conductivité n'est que l'inverse mathématique derésistivité.La résistivité est représentée par la petite lettre grecque rho (ρ) et se mesure en ohm-mètre (Ωm), ce qui signifie que le S/m peut aussi être décrit comme un ohm-mètre réciproque (1/Ωm ou Ωm^-1). Par extension, vous pouvez voir qu'un siemen est l'inverse d'un ohm. Depuisconduirequelque chose dans le monde réel est le contraire derésisterson passage, cela a un sens physique.

La conductivité d'un matériau est une propriété intrinsèque de ce matériau et sans rapport avec la façon dont un circuit ou un autre système est assemblé, ce qui est représenté par le "par mètre" dans l'unité siemens. Elle est liée à la résistance d'un matériau, souvent un fil dans les problèmes de physique impliquant ces situations, par l'expression

oùLest la longueur si le fil en m etUNEsa section en m².

Comme indiqué, la conductivité ne dépend pas de la configuration expérimentale et reflète simplement la façon dont un matériau donné (solide, liquide ou gazeux) "est". Certains matériaux font naturellement des conducteurs forts (et donc des résistances médiocres) tandis que d'autres peuvent conduire l'électricité faiblement ou pas du tout et faire de bonnes résistances (ou isolants).

Avec un circuit électrique, vous pouvez manipuler la configuration de manière à obtenir le niveau de courant de votre choix, quelle que soit la combinaison d'éléments de résistance que vous incluez. C'est pourquoi la résistance est désignéeRet n'a pas de longueur dans ses unités; c'est une mesure des propriétés d'un système, pas celle d'un matériau. Par conséquent,conductance(symbolisé par la lettreget mesuré en siemens) fonctionne de la même manière. Mais c'est normalement plus pratique à utiliserRou alorsρque c'est d'aller avecgou alorsσ​.

Par analogie, considérons que l'entraîneur d'une équipe de football peut modifier la force et la vitesse de ses joueurs individuels, mais qu'en fin de compte, chaque football l'équipe existante a les mêmes contraintes essentielles: 11 joueurs humains par équipe, variant dans leurs capacités physiques mais ayant les mêmes bases Propriétés.

La chose la plus choquante que vous apprendrez dans cet article (et ce n'est pas qu'un jeu de mots, honnêtement !) est que l'eau, à proprement parler, est un terrible conducteur d'électricité. C'est-à-dire H pur₂O (hydrogène et oxygène dans un rapport 2:1) ne conduit pas l'électricité.

Comme vous l'avez sans doute déjà conclu, cela signifie que la rencontre avec de l'eau vraiment pure est quelque chose qui n'arrive pratiquement jamais. Même dans un laboratoire, il est facile pour les ions (particules chargées) de "se faufiler" dans l'eau qui a été condensée à partir de vapeur pure, c'est-à-dire distillée.

L'eau provenant de tuyaux et directement de sources naturelles est invariablement riche en impuretés telles que les minéraux, les produits chimiques et diverses substances dissoutes. Ce n'est pas nécessairement une mauvaise chose, bien sûr; tout ce sel dans l'eau de mer, par exemple, permet de flotter un peu plus facilement dans la mer si c'est votre jeu.

Il se trouve que le sel de table (chlorure de sodium ou NaCl) est l'une des substances les plus connues qui peuvent priver l'eau de ses propriétés isolantes lorsqu'elle est dissoute dans H₂O.

La conductivité de l'eau dans les rivières américaines varie considérablement, d'environ 50 à 1 500 µS/cm. Les cours d'eau douce intérieurs qui permettent aux poissons de prospérer ont tendance à avoir entre 150 et 500 µS/cm. Une conductivité plus élevée ou plus faible peut indiquer que l'eau ne convient pas à certaines espèces de poissons ou de macroinvertébrés. Les eaux industrielles peuvent aller jusqu'à 10 000 µS/cm.

La conductivité est une mesure indirecte, par exemple, de la qualité de l'eau des cours d'eau. Chaque voie navigable possède une plage relativement constante qui peut être utilisée comme référence de conductivité de l'eau potable. Évaluations régulières de la conductivité effectuées à l'aide d'unconductimètre d'eau. Des changements majeurs dans la conductivité pourraient signaler la nécessité d'un effort de nettoyage.

Cet article concerne clairement la conductivité électrique. En physique, cependant, vous entendez probablement parler de la conduction de la chaleur, ce qui est un peu différent car la chaleur est mesurée en énergie alors que l'électricité, qui peut fournir de l'énergie, ne l'est pas.

Les changements dans la conductivité thermique d'un matériau ont tendance à être parallèles aux changements de sa conductivité électrique, bien que généralement pas à la même échelle. Une propriété intéressante des matériaux est que, bien que la plupart d'entre eux deviennent de moins bons conducteurs lorsqu'ils sont chauffés (car les particules circulent plus rapidement et plus vite que la température monte, ils sont plus susceptibles d'"interférer" avec les électrons), ce n'est pas le cas d'une classe de matériaux appelée semi-conducteurs.