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La conduction électrique

 

 

 

Ce sujet a priori éloigné du champ des arts plastiques doit cependant être abordé (notamment) dans la perspective d'une meilleure compréhension de nouveaux matériaux issus de la recherche en nanosciences.

Un avertissement : les connaissances sur l'électricité et le magnétisme, non seulement dans le domaine des nanosciences mais pour la physique en général, restent parcellaires. Non seulement les découvertes sont en partie récentes, mais en plus, de vieilles questions demeurent sans réponse, telle "qu'est-ce que la charge électrique ?".

 

Cette propriété de la matière étant essentiellement fonction des rapports entre bande de conduction et bande de valence, nous vous proposons de faire un détour préalable vers un passage de l'article consacré à la valence, où ce sujet est développé. Cliquer ici ou sur l'image.

Ainsi, tout semblerait presque dit : en fonction du positionnement du niveau de Fermi et de la taille de la bande interdite, nous avons affaire à un conducteur, un semi-conducteur ou un isolant. Mais ce n'est qu'une partie de la question de la conduction car il existe plusieurs façons de conduire le courant électrique.

 

I. Qu'entend-on par conduire ?

CONDUIRE v. tr. (...). Xe siècle. Du latin conducere, « mener ensemble », puis « conduire ».
I. Mener, guider, diriger vers un but. (...)
II. Gouverner, maîtriser, diriger. (...)

(Académie française)

C'est Benjamin Franklin qui, en 1747, par une remarquable performance intellectuelle, tire les conséquences scientifiques et linguistiques des expériences de Stephen Gray et Dufay (Charles-François de Cisternay Dufay, illustration ci-contre : une expérience sur 400m environ avec des fils de soie humectés) : tous les matériaux sont "électriques", mais certains sont conducteurs et d'autres non. Sur la découverte de la conduction, on peut lire en ligne un texte passionnant de Gérard Bovron : lien (n'hésitez pas à nous signaler un éventuel lien mort car nous disposons d'une copie de sauvegarde).

Comme nous l'avons dit dans le chapitre XVII, dans une liaison électrique ordinaire, les porteurs de charges - à savoir les éléments matériels (électrons, ions) - se déplacent moins vite que des escargots (lien in Dialogues de Dotapea).
Ce sont des photons qui pour l'essentiel transmettent le courant de proche en proche à une vitesse beaucoup plus élevée, de l'ordre de plusieurs dizaines ou centaines de milliers de kilomètres par seconde, en fonction du matériau. A condition, en premier lieu, que les bandes de conduction des éléments puissent bien "conduire" le courant, le mener quelque part sans quoi la transmission n'est que partielle, voir nulle. Par exemple une "résistance", dans le vocabulaire commun, est un radiateur électrique qui, parce qu'il comporte un élément résistant, restitue en bonne partie l'énergie qu'il reçoit "sans la mener vers un but", à la façon d'un corps noir qui rayonne dans toutes les directions, c'est-à-dire indépendamment de la polarisation associée au champ électrique.

[Une précision entre parenthèses - cliquer ici pour passer la parenthèse]
Tout comme un semi-conducteur, un matériau isolant peut être concerné par des phénomènes dits de
"paires électron-trou". Mais cet isolant est par essence dans l'incapacité de transmettre le courant. Il faut donc bien distinguer courant et phénomènes de trous.
Cette précision, ici, est due à des paraboles explicatives récurrentes sur ces paires qui peuvent réellement induire en erreur. Notamment la plus connue : celle de la
rangée de spectateurs, que l'on n'évoquera pas davantage afin de ne pas semer la confusion. Les analogies avec des bouliers ou des boules de pétanque dans une gouttière ne paraissent pas plus souhaitables.

En effet, un phénomène diélectrique (dans un isolant), soit un mouvement d'électrons et de trous propres à un atome, ne fournira pas par magie un moyen de conduire un courant. Sauf cas particuliers (évoqués ci-dessous), c'est le passage d'une porteur de charge dans la bande de conduction qui permet... la conduction. Une fois que cette transition a eu lieu, ce qui se passe dans la bande de valence ou la conception du trou comme particule fictive e+ nous intéresse moins dans le présent sujet. Tout au plus peut-on supputer que ces phénomènes (disons le mouvement tropique des charges dans la bande de valence) contribue à véhiculer le champ électrique et (peut-être) subséquemment les électrons locaux de la bande de conduction. A confirmer.

Mais toute personne souhaitant évoquer, à l'aide de ce genre de paraboles, ce phénomène de manière réellement pédagogique devrait entrer dans la logique de diffusion sous-tendue par la théorie de l'électrodynamique quantique relativiste de Feynman et veiller à ne pas isoler les exemples pris par ce prix Nobel de leurs différents contextes.
En effet, on en vient à lire que la rencontre entre un électron (réel) et un trou (fictif) donne lieu à une sorte d'annihilation dégageant un photon. Il s'agit plutôt, vraisemblablement, de la redescente énergétique d'un électron de la bande de conduction à la bande de valence, occasionnant en effet l'émission d'un photon. On voit à quel point une confusion entre trou et antimatière peut vite s'installer. Un "trou", ça n'existe pas en tant que particule. Un positron, cela existe.
[Fin de la parenthèse]

Ainsi donc, un courant électrique suppose un matériau conducteur ou, dans le cas des semi-conducteurs, un apport local d'énergie ou bien un enrichissement à l'aide de matériaux favorisant la conduction (on est dans le cas du "dopage électronique" mais celui-ci a généralement une autre vocation).

Au-delà, la bande de conduction est partagée, commune. Les liaisons entre les atomes y sont de type métallique (cf. la liaison métallique, à distinguer des liaisons covalente, ionique ou "H"). Les "électrons libres" - terme consacré - qui s'y trouvent peuvent y voyager mais leurs trajectoires seront essentiellement régies par les champs électromagnétiques. Le terme conduction prend tout son sens.

Pour terminer cette section, insistons sur le fait qu'un corps semi-conducteur, comme son nom ne l'indique pas, n'est pas à moitié conducteur : il peut être localement ou globalement conducteur ou isolant, selon qu'il y a ou non apport d'énergie. Comme avec un conducteur, la part excitée et conductrice du semi-conducteur implique absolument une circulation électronique de type métallique dans une bande de conduction partagée par plusieurs atomes.

 

II. Transport "balistique" du courant

Certains matériaux - nous entrons dans le vif du sujet - permettent une transmission différente du courant. Il s'agit de ceux dans lesquels le transport électrique se fait non via des photons mais directement par le mouvement des électrons, en l'absence de résistance, c'est-à-dire de chocs inélastiques [1]. Ces électrons extrêmement rapides sont surnommés "électrons balistiques", comme tout projectile véhiculant son énergie grâce à sa vitesse appliquée à sa masse. e=1/2mv2.

De quels matériaux s'agit-il ?

* d'abord d'un non-matériau, le vide. Un électron s'y déplace évidemment sans résistance. C'est le cas dans l'espace, dans un synchrotron ou dans un tube cathodique. Cependant, en l'absence de matériau conducteur, dans un flux, les électrons étant de même signe, ils ont tendance à se repousser mutuellement. L'action d'électro-aimants (e.g. le "joug magnétique" du tube cathodique) permet de confiner le flux, de guider sa trajectoire et même d'influer sur sa vitesse. A strictement parler, on a bien là une conduction, mais avec une sorte de "bande de conduction artificielle". Terme au demeurant impropre car de tels mouvements se produisent dans l'espace de manière absolument naturelle.

* d'un supraconducteur. Là, se produit un effet quantique. Un électron associé à un autre - dans des conditions plutôt contraignantes car il faut entretenir un certain froid ambiant - donne par addition de leurs deux spins de 0,5 un "corpus" bosonique au spin entier (paires de Cooper, théorie BCS). Une telle paire bénéficie d'une capacité de déplacement très particulière, sans résistance.

* de polycycles dits bidimensionnels. Graphène, nanotube, fullerène (ci-contre un nanotube de carbone) : on parle là de "feuillets cristallins" dont l'épaisseur est d'un atome. Le terme "bidimensionnalité" fréquemment employé par la presse est usurpé car un seul atome occupe toutes les dimensions [2]. Considérons-le comme une commodité. L'important pourrait être que ce type de configurations "planes" implique de fait beaucoup moins de liaisons, donc d'obstacles dans la transmission d'un courant "balistique". Information non confirmée. Il est possible aussi que cette réduction des interactions suscite des effets quantiques. Toute personne disposant d'informations sur ce dernier point est bienvenue à nous écrire.

En marge, on peut aussi citer un type de polycycles tridimensionnels : certains diamants synthétiques dopés, notamment au bore (cf. Bleu de France), auraient aussi des propriétés de conduction balistique (non confirmé).

Quel est l'intérêt de cette conduction ?

* dans le cas de la conduction dans le vide, le guidage magnétique des électrons est extrêmement fin et leur vitesse peut être portée très près de celle de la lumière. L'incorporation d'une faible quantité de gaz donne par ailleurs de très intéressantes applications dans le domaine de l'éclairage (tubes à néon, lampes à iode, à corps halogènes, à plasma) où le choc direct des électrons avec les atomes gazeux provoque une ionisation ou une hausse de l'énergie des électrons suivie d'une baisse qui s'accompagne de l'émission de photons (photoluminescence). Certains types de soudages sont également réalisés avec des faisceaux d'électrons.

* dans le cas des supraconducteurs, il s'agit notamment d'amplifier considérablement la lévitation de corps diamagnétiques et d'autres jeux sur l'attraction et la répulsion. On peut citer comme exemple d'application le train magnétique japonais MagLev (lien vers recherche Google). En complément, lire aussi passage et notes 2 et 3 in Chapitre XXVI des Dialogues, où est abordée brièvement la question des applications artistiques.

* dans le cas des polycycles bidimensionnels, le peu de résistance électrique permet un réchauffement minimal du corps conducteur et une grande rapidité de transmission du courant, ce qui constitue de précieux avantages pour la fabrication d'une partie des composants électroniques. Une partie seulement en effet : seuls ont des propriétés semi-conductrices certains nanotubes (préparés en jouant sur le nombre de cycles, l'hélicité du tube ou la taille de la section), le "diamant dopé" et une version encore expérimentale du graphène, le graphane (un graphène adjoint d'atomes d'hydrogène alternés sur et sous la feuille). Or, de telles propriétés sont nécessaires pour rendre possible le stockage de données.
Pour cette raison, à cause aussi des coûts de fabrication et de réels problèmes d'assemblage, ces matériaux ne parviennent pas pour le moment à détrôner le silicium.
A ces propriétés de conduction sont associées des propriétés magnétiques qui sont toujours en cours d'exploration (en 2013).

Par ailleurs,

* ces polycycles sont également de très puissants conducteurs thermiques,

* les diamants synthétiques peuvent donner des résonateurs sonores remarquables,

* les nanotubes de carbone suscitent des effets de pointe phénoménaux. Recherche Google sur l'effet de pointe.

* ils permettent aussi de créer des "surfaces ultranoires" grâce à leur faculté d'absorption de la lumière.

* le graphène permet, par sa conductivité, sa finesse et son caractère plan, de susciter le fameux effet Casimir, un phénomène quantique. Recherche Google sur l'effet Casimir.

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[1] "Choc" inélastique photon/électron : on donne cette image du photon qui tape sur un électron et rebondit plus ou moins bien. Elle est fausse. Ce n'est pas du billard. Le photon qui interagit disparaît, il est absorbé. Et l'électron réagit en renvoyant un photon jumeau de même énergie ("choc" élastique, diffusion Rayleigh) ou un photon d'énergie différente ("choc" inélastique, effet Râman, diff. Stokes, anti-Stokes). [Contribution de Jean-Louis]
[Add.] D'où l'on peut dire qu'un choc photon/électron est inélastique lorsque de l'énergie y est échangée.
La parabole du billard est erronée mais elle peut être utilisée dans certains cas, pour illustrer certains aspects des phénomènes d'impulsion. Un exemple ici, avec une voile solaire. Souvent, une image, un métaphore, "fonctionne" dans un contexte et induit en erreur dans un autre.

[2] Il existe cependant des recherches en ce sens : lien externe - merci de bien vouloir nous écrire en cas de rupture du lien.

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