Conducteurs et isolants: que sont-ils et pourquoi sont-ils importants? (avec graphique)

Afin de comprendre les circuits électriques et comment les humains peuvent tout alimenter, des lumières de leurs maisons aux trains électriques (et, de plus en plus au fil du temps, voitures électriques) qui les font fonctionner, il faut d'abord comprendre ce qu'est le courant électrique et ce qui permet au courant de passer couler.

Le courant électrique est le résultat du mouvement des électrons, qui sont des particules subatomiques presque sans masse qui portent une très, très petite charge négative. Lorsque vous entendez parler de « jus » (comme on appelle souvent l'électricité) « circulant » à travers les fils électriques ou votre téléviseur, cela fait référence au flux d'électrons à travers les fils d'un circuit. Les fils métalliques sont spécifiquement choisis pour transporter l'électricité parce qu'ils ont relativement peu derésistance électrique​.

Les électrons peuvent servir de support aux courants car, un peu comme les comètes en orbite autour du soleil à de grandes distances, ils existent en dehors du noyau atomique où les protons et les neutrons "vivent" et sont considérablement moins massifs que l'une ou l'autre particule nucléaire (et les protons et les neutrons sont terriblement légers en eux-mêmes droite).

Les atomes de différents éléments diffèrent par la masse, le nombre de particules et d'autres manières inhérentes, et l'unique la configuration de chaque atome détermine s'il s'agit d'un bon conducteur, d'un mauvais conducteur (c'est-à-dire d'un isolant) ou de quelque chose entre.

Courant électrique (représenté parjeet mesuré enampèresou A) est le flux decharge électrique(désigné parqet mesuré encoulombsou C) sous forme d'électrons à travers un milieu conducteur, tel qu'un fil de cuivre. Les électrons se déplacent sous l'influence d'undifférence de potentiel électrique (tension)entre les points le long du fil, éprouvantla résistance(représenté parRet mesuré enohmsou ).

• Toute cette physique est parfaitement capturée parLa loi d'Ohm​:

Par convention, une charge positive placée près d'une borne ou d'une charge positive a un potentiel électrique plus élevé qu'à des points plus éloignés, tout le reste est le même. La tension a des unités de joules par coulomb, ou J/C, qui est l'énergie par charge. Cela a du sens, car l'effet de la tension sur les charges est similaire à l'effet de la gravité sur les masses.

Alors que n'importe quel point peut être choisi comme point de tension nulle ou d'énergie potentielle gravitationnelle, une masse donnée perd toujours l'énergie potentielle lorsqu'elle se rapproche du centre de la Terre, et une charge positive perd toujours de l'énergie potentielle électrique (qui peut être écritqE) à mesure qu'il s'éloigne de la charge positive source.

Compte tenu de ce qui vous a été présenté, vous avez peut-être déjà réalisé que les électrons circulent dans la direction opposée de charges positives, et qu'elles perdent donc du potentiel électrique au cours de leur circulation en tant qu'éléments de courant.

Ceci est analogue à un piano tombant du ciel et perdant de l'énergie potentielle gravitationnelle lorsqu'il se rapproche de la Terre (énergie conservée sous forme d'énergie cinétique croissante) et les pertes d'énergie de friction (chaleur) dues à l'air la résistance.

En imaginant que le courant augmente dans un fil, imaginez que le nombre d'électrons passant à un point donné augmente également, la même chose s'appliquant au courant diminue.

• La charge sur un seul électron est -1.60 × 10^-19 C, tandis que celle sur un proton est de +1,60 × 10^-19 C. Cela signifie qu'il faut (1/1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 quintillions) de protons juste pour constituer 1,0 C de charge.

La facilité avec laquelle les électrons peuvent se déplacer à travers un matériau dépend de laconductivité. La conductivité, généralement désignée par σ (la lettre grecque sigma), est une propriété de la matière qui dépend de certaines caractéristiques intrinsèques de cette matière, dont certaines ont été évoquées précédemment.

Le plus important est le concept deélectrons libres, ou des électrons appartenant à un atome qui sont capables de "errer" librement loin du noyau. (Gardez à l'esprit que "loin" en termes atomiques signifie toujours une distance incroyablement courte par rapport aux normes normales.) Les électrons les plus externes dans n'importe quel atome sont appelésélectrons de valence, et lorsqu'il se trouve qu'il n'y en a qu'un, comme pour le cuivre, la situation idéale pour la "liberté" des électrons est établie.

De bons conducteurs d'électricité permettent au courant de circuler pratiquement sans entrave, tandis qu'à l'autre extrémité du spectre, les bons isolants résistent à ce flux. La plupart des matériaux non métalliques de tous les jours sont de bons isolants; s'ils ne l'étaient pas, vous subiriez continuellement des décharges électriques après avoir touché des objets communs.

La conductivité d'un matériau particulier dépend de sa composition et de sa structure moléculaire. En général, les fils métalliques conduisent l'électricité avec une relative facilité car leurs électrons externes sont moins étroitement liés à leurs atomes associés et peuvent donc se déplacer plus librement. Vous pouvez identifier quels matériaux sont des métaux en consultant un tableau périodique des éléments tel que celui des ressources.

• Le béton, bien que beaucoup moins conducteur que les métaux, est néanmoins considéré comme un conducteur dans l'ensemble. C'est important étant donné à quel point une fraction des villes du monde contient du béton !

• Considérez la déclaration "La plupart des matériaux conducteurs ont des résistances différentes à différentes températures." Est-ce vrai ou faux? Expliquez votre réponse.

Il y a plus de matériaux isolants que de matériaux conducteurs dans la vie de tous les jours, ce qui est logique étant donné les exigences strictes pour les matériaux isolants pour simplement éliminer les niveaux graves de danger de la vie quotidienne processus. Le caoutchouc, le bois et le plastique sont à la fois des isolants omniprésents et très utiles; pratiquement tout le monde apprend à reconnaître le tube orange caractéristique autour des rallonges.

Compte tenu des dangers connus du mélange des appareils électriques et de l'eau, il surprend la plupart des gens d'apprendre que l'eau pure est un isolant. L'eau qui se compose en fait d'hydrogène et d'oxygène sans impuretés est rare et ne peut être obtenue que par distillation en laboratoire. L'eau courante contient souvent un nombre suffisant d'ions (molécules chargées) pour permettre à l'eau « normale » de devenir un conducteur de facto.

Les isolants, comme vous pouvez le prévoir, contiennent des matériaux dont les éléments ont des électrons de valence liés beaucoup plus étroitement au noyau que ce n'est le cas avec les métaux.

​Résistivitéest une mesure de la résistance d'un matériau au flux d'électrons. Mesuré en ohm-m (Ωm), c'est l'inverse conceptuel et mathématique de la conductivité. Il est généralement noté (rho), donc ρ = 1/σ. Notez que la résistivité est différente de la résistance, qui est (ou peut être) déterminée en manipulant physiquement le placement des résistances dans un circuit avec des valeurs de résistance connues.

La résistivité et la résistance dans un fil sont liées par l'équation :

oùRet sont la résistance et la résistivité etLetUNEsont la longueur et la section transversale du fil. Les isolants ont des valeurs de résistivité de l'ordre de 10¹⁶ m, alors que les métaux se situent dans la plage de 10^-8m. À température ambiante, tous les matériaux ont un certain degré de résistance mesurable, mais la quantité de résistance dans les conducteurs est faible.

• La résistance de la plupart des matériaux dépend de la température; souvent, à des températures plus froides, la résistance diminue.

Certains matériaux atteignent un état de résistance 0 à des températures suffisamment basses. Ceux-ci sont appeléssupraconducteurs. Malheureusement, atteindre les températures requises pour la supraconductivité - ce qui entraînerait des économies d'énergie mondiales presque incalculables si il pourrait être propagé dans le monde entier dans la technologie existante - sont prohibitifs à atteindre au début du 21e siècle en laboratoire Les paramètres.