Qu’est-ce qu’un matériau conducteur ?
Les matériaux conducteurs sont des matériaux qui peuvent conduire l’électricité avec des électrons libres.
Les matériaux conducteurs les plus courants sont les métaux, les semi-conducteurs et les matériaux polymères conducteurs. Les métaux ont des propriétés hautement conductrices en raison de la présence d’électrons libres. Les semi-conducteurs, en revanche, ont une faible conductivité, mais celle-ci peut être contrôlée par le dopage et d’autres techniques. Les matériaux polymères conducteurs sont souples, légers et ont des performances conductrices réglables en raison de la présence de parties chargées dans la molécule.
Les matériaux conducteurs sont largement utilisés dans les dispositifs électroniques, les circuits, les capteurs, l’éclairage, les véhicules électriques et les cellules solaires.
Utilisations des matériaux conducteurs
Les principales applications des matériaux conducteurs sont les suivantes :
1. Les dispositifs électroniques
Les transistors, les diodes et les circuits intégrés sont de bons exemples. Les transistors sont un type de dispositif électronique utilisé pour amplifier et commuter des signaux électriques. Les transistors sont fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs (principalement le silicium). Les diodes sont un type de dispositif électronique fabriqué à partir de matériaux semi-conducteurs (principalement le silicium) qui permettent au courant de circuler dans une seule direction.
2. Circuits électriques et électroniques
On peut citer comme exemple les éléments de câblage et les circuits imprimés. Une carte de circuit imprimé (PCB) est une carte sur laquelle des circuits électroniques sont montés et sur laquelle des traces sont formées afin que les composants puissent être connectés pour former un circuit. Une trace est un conducteur constitué d’une « feuille de cuivre » ou d’une « encre conductrice » qui relie les composants sur un circuit imprimé.
3. Capteurs
Les capteurs d’accélération, les capteurs de pression et les capteurs de température sont des exemples d’utilisation des matériaux conducteurs.
4. Éclairage
Les LED (en anglais : Light Emitting Diode) sont un type de dispositif semi-conducteur qui émet de la lumière lorsqu’il est traversé par de l’électricité.
5. Équipements électroniques
Ordinateurs, smartphones, tablettes et appareils électroménagers.
6. Équipements de transport
Trains, véhicules électriques, ascenseurs, portes automatiques, etc.
Types de matériaux conducteurs
Les types de matériaux conducteurs suivants sont couramment utilisés :
1. Métaux
Les métaux tels que le cuivre, l’aluminium, le fer, l’argent et l’or sont bien connus en tant que matériaux conducteurs. Les métaux ont une conductivité électrique très élevée car les électrons peuvent se déplacer librement.
2. Semi-conducteurs
Les semi-conducteurs tels que le silicium, l’arséniure de gallium et le nitrure de gallium sont utilisés comme matériaux conducteurs. Les semi-conducteurs sont des matériaux à faible conductivité électrique à l’état pur, mais leur conductivité électrique peut être contrôlée par l’ajout d’impuretés.
3. Électrolytes
Les composés ioniques et les liquides (composés ioniques dissous à l’état liquide) sont utilisés comme matériaux conducteurs. Les électrolytes sont conducteurs d’électricité en raison du mouvement des ions. Les électrolytes sont utilisés dans les dispositifs de conversion de l’énergie tels que les batteries, les piles à combustible et les capteurs électrochimiques.
Les composés ioniques sont des composés de cations et d’anions. Les composés ioniques peuvent conduire l’électricité lorsqu’ils sont dissous dans l’eau, car ils s’ionisent et se décomposent en cations et en anions.
4. Polymères conducteurs
Les polymères tels que le polyacétylène, le polypyrrole et la polyaniline sont utilisés comme matériaux conducteurs. Les polymères conducteurs sont utilisés comme matériaux électroniques organiques, par exemple dans les écrans EL organiques.
5. Autres
Le développement de nouveaux matériaux tels que les nanotubes de carbone, le graphène et les oxydes métalliques a conduit à la mise au point de divers types de matériaux conducteurs.
Les nanotubes de carbone sont des matériaux tubulaires à l’échelle nanométrique constitués d’atomes de carbone liés entre eux dans un réseau hexagonal. Le graphène est un matériau bidimensionnel constitué d’une seule couche d’atomes de carbone, qui se caractérise par une résistance, une conductivité et une transparence très élevées. Le graphène est une couche unique de graphite exfolié, dans laquelle les atomes de carbone sont disposés dans un réseau hexagonal.
Propriétés des matériaux conducteurs
1. Conduit l’électricité
La raison pour laquelle les matériaux conducteurs peuvent conduire l’électricité est due à la présence d’électrons libres en leur sein. Les électrons libres peuvent se déplacer librement dans le matériau, indépendamment des liaisons atomiques ou moléculaires. Les matériaux conducteurs sont capables de conduire la charge en raison du mouvement des électrons libres provoqué par un champ électrique appliqué de l’extérieur.
2. Faible résistance électrique
À l’intérieur d’un matériau conducteur, les électrons libres se déplacent et conduisent le courant en raison d’un champ électrique appliqué de l’extérieur. La résistance est générée lorsque les électrons libres entrent en collision avec les atomes et les molécules à l’intérieur du matériau.
La faible résistance électrique des matériaux conducteurs s’explique par la structure cristalline ordonnée à l’intérieur du matériau. Une structure cristalline ordonnée réduit le nombre d’atomes et de molécules avec lesquels les électrons libres entrent en collision lorsqu’ils se déplacent à l’intérieur du matériau, ce qui se traduit par une faible résistance. Moins il y a d’impuretés et de défauts à l’intérieur du matériau conducteur, plus la résistance est faible.
3. Conductivité thermique élevée
À l’intérieur d’un matériau conducteur, les électrons libres absorbent l’énergie de la chaleur appliquée de l’extérieur et conduisent l’énergie thermique. La chaleur est transférée lorsque les électrons libres entrent en collision avec les atomes et les molécules à l’intérieur du matériau.
La conductivité thermique élevée des matériaux conducteurs s’explique par la structure cristalline ordonnée à l’intérieur du matériau. Une structure cristalline ordonnée réduit le nombre d’atomes et de molécules qui entrent en collision avec les électrons libres lorsqu’ils se déplacent à l’intérieur du matériau, ce qui facilite un transfert de chaleur uniforme. De plus, moins il y a d’impuretés et de défauts à l’intérieur du matériau conducteur, plus la conductivité thermique est élevée.
4. L’électricité génère un champ magnétique
Un champ magnétique est un phénomène qui se produit autour d’un conducteur traversé par un courant électrique. À l’intérieur d’un matériau conducteur, un champ électrique appliqué de l’extérieur provoque le déplacement d’électrons libres et la circulation d’un courant électrique, ce qui génère un moment magnétique à l’intérieur du matériau conducteur et produit un champ magnétique.
Pour qu’un matériau conducteur soit magnétique, il faut qu’il y ait suffisamment d’électrons libres à l’intérieur du matériau. La présence d’électrons libres facilite la circulation du courant électrique et le transfert de charge nécessaire à la génération d’un champ magnétique. Les propriétés magnétiques des matériaux conducteurs tendent également à générer un champ magnétique dans une direction perpendiculaire au sens de circulation du courant.
Autres informations sur les matériaux conducteurs
1. Ajout d’impuretés aux matériaux semi-conducteurs
La conductivité et certaines propriétés physiques peuvent être contrôlées en ajoutant délibérément des impuretés aux matériaux conducteurs. Par exemple, l’ajout d’oxydes au cuivre augmente sa résistance électrique. De même, l’ajout d’impuretés telles que le bore au silicium permet de créer des semi-conducteurs de type p et de type n.
Les semi-conducteurs de type p et de type n sont des semi-conducteurs dont les propriétés électriques sont contrôlées par l’ajout d’impuretés spécifiques au matériau semi-conducteur. Les semi-conducteurs de type p et de type n peuvent être combinés pour former des jonctions p-n, qui peuvent former des éléments et des circuits aux propriétés électriques uniques.
2. Matériaux conducteurs flexibles
Certains matériaux conducteurs sont flexibles. Les matériaux polymères conducteurs et les nanotubes de carbone sont très souples et légers, tout en conservant leurs performances conductrices. Ces matériaux sont utilisés dans les appareils électroniques et les capteurs dont les formes peuvent se plier et s’étirer.
3. Matériaux conducteurs résistants aux températures élevées
Certains matériaux conducteurs ont la capacité de résister à des températures élevées. Les nanotubes de carbone, par exemple, sont connus pour leur conductivité électrique élevée dans des environnements à haute température. Cela s’explique par le fait que les nanotubes de carbone sont très résistants et que leur structure ne change pas à haute température.
4. Résistance à la corrosion des matériaux conducteurs métalliques
Les matériaux conducteurs métalliques ont généralement tendance à être très résistants à la corrosion. Le cuivre, par exemple, s’oxyde à l’air, ce qui entraîne une décoloration de sa surface, mais les oxydes de cuivre recouvrent la surface et empêchent toute oxydation supplémentaire.