Propriétés électriques des matériaux

Ce câble, couramment utilisé, est composé de fil de cuivre, un métal à hauteur élevé, recouvert de plastique isolant, très faible matériau de conductivité

Quelles sont les propriétés électriques des matériaux?

Le propriétés électriques des matériaux sont ceux qui déterminent leur réponse au passage du courant électrique, c'est-à-dire leur capacité à mener et à résister (détenue pour transmettre l'électricité et la résistance au passage de celle-ci, respectivement) respectivement). Selon ce critère, les matériaux sont classés en trois catégories: conducteurs, isolateurs et semi-conducteurs.

La disposition des particules qui composent l'atome est responsable de cette réponse. Deux des protons et électrons les plus importants, se caractérisent par une charge électrique, une propriété de matière, tout comme la masse.

Dans le cas des matériaux conducteurs, il est facile d'établir un courant électrique à l'intérieur, car certains ont des électrons libres, qui ne sont pas liés à un atome particulier. Normalement, le mouvement de ces électrons est aléatoire, mais si un agent externe s'occupe de les déplacer dans de façon ordonnée, un courant est généré.

Au contraire, le noyau atomique dans les matériaux isolants est capable de conserver plus fermement les électrons, il n'est donc pas si simple que les charges électriques circulent à travers elles.

Quant aux matériaux semi-conducteurs, ceux-ci ont des caractéristiques intermédiaires, c'est-à-dire qu'elles peuvent conduire de l'électricité dans certaines circonstances. Cela les rend particulièrement utiles dans les appareils électroniques, car ils servent d'amplificateurs et de régulateurs d'intensité et de passage du courant, entre autres fonctions.

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Quelles sont les propriétés électriques des matériaux?

Conductivité électrique

Le physicien anglais Stephen Gray (1666-1736) a été l'un des premiers à classer les matériaux dans les conducteurs et les isolateurs, selon leur facilité de conduite de l'électricité. Naturellement, la façon idéale de découvrir est de passer le courant électrique à travers différents matériaux et d'étudier la réponse de chaque.

Cependant, lorsqu'un courant électrique est diffusé à travers un objet, une densité de courant (intensité par unité de zone) est créée à l'intérieur), qui, pour de nombreuses substances, est proportionnelle au champ électrique produit.

Le champ électrique et la densité actuelle sont tous deux des quantités vectorielles, donc elles sont indiquées avec audacieuse, pour les différencier de celles qui ne sont pas. Si le champ électrique est appelé ET Et la densité actuelle est J, Ensuite, vous pouvez écrire:

J ∝ ET

Où le symbole "∝" se lit "... est proportionnel à ...". Pour établir l'égalité, une constante de proportionnalité est requise, appelée σ (lire "Sigma"), qui est connue sous le nom conductivité électrique du matériel. De cette façon:

J = σ ET

Unités

La conductivité électrique est exprimée en AMPS / Volts-Metter, ou abrégé A / V ∙ M, car la densité de courant est donnée en A / M² et le champ électrique en v / m. Le quotient entre le courant qui passe par un matériau et la tension qui lui est appliquée est la conductance G et son unité de mesure est la Siemens Et il est abrégé, par conséquent, la conductivité σ peut également être exprimée en S / M ou S ∙ M⁻¹.

Les matériaux dans lesquels J = σ ET Ils savent comment Matériaux ohmiques, Eh bien, c'est la forme microscopique de la loi ohm bien connue pour les circuits électriques résistifs v = i ∙ r, où v est la tension, et le courant et r une résistance électrique.

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Substances et matériaux conducteurs

La loi d'Ohm établit que plus le champ électrique du conducteur est élevé, plus la densité actuelle est élevée, un fait favorisé lorsque σ est grand. Par conséquent, les bons conducteurs sont ceux qui ont une conductivité σ élevée.

Les matériaux avec facilité au courant de transport peuvent être des conducteurs électroniques ou des conducteurs électrolytiques. Les premiers ont les électrons libres si appelés, qui sont des électrons peu ou rien liés à un atome particulier, et peuvent donc circuler à travers le matériau. Parmi eux, les métaux se démarquent: l'argent, le cuivre et l'or, par exemple.

Lorsqu'une tension est établie dans un morceau de cuivre, un champ électrique est créé dans lequel les électrons libres se déplacent, générant un courant électrique dans la direction opposée au champ.

Le deuxième type de conducteurs, électrolytique, sont des solutions en milieu aqueux de différents acides, bases ou sels. Dans ceux-ci, la conduite est effectuée grâce aux ions positifs et négatifs (cations et anions respectivement), capables de se déplacer au milieu, guidés par des électrodes avec une charge de signe opposée.

À l'exception des hautes tensions, les conducteurs électrolytiques se conforment également à la loi d'Ohm.

Table conductrice

Le tableau suivant montre la conductivité de divers matériaux, conducteurs, semi-conducteurs et isolateurs, à une température de 20 ° C.

La conductivité de divers matériaux peut être observée en appliquant une température de 20 ° C

La température est un facteur important pour la conductivité électrique, car à une température plus élevée, la conductivité diminue, en raison de l'agitation thermique. De cette façon, les atomes vibrent plus rapidement, augmentant le nombre de collisions entre eux et les électrons libres, dont le mouvement est plus désordonné.

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Au contraire, lorsque la température baisse, les matériaux ont tendance à augmenter leur conductivité. Certains peuvent devenir des supraconducteurs à très basse température, ce qui signifie que leur conductivité est pratiquement infinie.

Bien que les métaux conduisent des matériaux par excellence, le graphène est celui qui a la plus grande conductivité, comme nous pouvons observer dans le tableau.

Il Graphène Ce n'est pas un métal, mais une substance en charbon pur, dont les atomes sont disposés dans une structure très régulière. Étant également un excellent conducteur de chaleur, le graphène peut soutenir le passage de courants électriques élevés sans dommage à la chaleur.

Conductivité et résistivité

En ce qui concerne les conducteurs électroniques, vous travaillez dur avec la résistivité, au lieu de la conductivité.

La résistivité est la réciproque ou l'inverse de la conductivité. Cela signifie que plus la conductivité d'un matériau est grande, plus sa résistivité est faible.

La résistivité est indiquée avec la lettre grecque ρ (il lit «rho») et comme dit ci-dessus, il peut être exprimé par:

ρ = 1 / σ

Contrairement à la conductivité, la résistivité augmente avec la température, par conséquent, à une température plus élevée, une plus grande résistivité.

Les références

1. Bauer, w. 2011. Physique pour l'ingénierie et les sciences. 2ieme volume. Mc Graw Hill.  
2. Callister, W. Science et ingénierie des matériaux. J'ai inversé.
3. Stax ouvert. Physique du collège. Récupéré de: OpenStax.org.