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Isolants et conducteurs

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Objectif : Les propriétés isolantes ou conductrices d'un matériau dépendent de la liberté qu'ont les électrons à pouvoir se déplacer dans le matériau. Elles dépendent donc des interactions électriques intervenant dans les atomes.
Quelle différence y a-t-il entre les comportements des électrons dans un isolant et dans un conducteur ?
Que se passe-t-il quand le milieu n'est pas un matériau solide mais une solution ?
1. Les isolants
a. Définition
Dans un isolant, les électrons restent localisés. Ils peuvent se déplacer sur des distances qui n'excèdent pas la taille de l'atome (10-10 m).

Exemples : Le bois, le verre et les matières plastiques sont des matériaux isolants.

b. Excès d'électrons
Dans un isolant, un excès d'électrons est localisé. Des électrons, déposés par contact, restent localisés à la surface, à l'endroit du contact.
c. Défaut d'électrons
Lorsqu'une règle en matière plastique est frottée avec un chiffon, des électrons sont arrachés de la règle. Il apparaît alors un défaut d'électrons qui est localisé à l'endroit où la règle a été frottée.

Dans un isolant, ce défaut d'électrons (apparition de charges positives) ne peut pas être compensé par un apport en électrons, situés dans le nuage électronique des atomes voisins. Ce défaut d'électrons reste donc localisé à la surface, à l'endroit où il a été initialement créé.

2. Les conducteurs
a. Définition
Dans un conducteur, certains électrons peuvent se déplacer sur des grandes distances par rapport à la dimension de l'atome (sur toute la surface du conducteur).

Exemples : Les métaux et le graphite sont des matériaux conducteurs.

b. Excès d'électrons
Les électrons, déposés par contact, sont répartis sur toute la surface de l'objet conducteur.
c. Défaut d'électrons
Si le matériau présente un défaut d'électrons (le nombre de protons est alors supérieur au nombre d'électrons), l'ensemble des charges positives est réparti sur toute la surface du conducteur. Les atomes, d'un matériau électrisé, peuvent perdre des électrons (par frottement ou contact). Cette perte d'électrons est compensée par l'arrivée d'électrons d'autres atomes. Ainsi, de proche en proche, le défaut d'électrons (qui se traduit par un ensemble de charges positives) se répartit sur toute la surface du conducteur.
3. Les porteurs de charge
a. Dans les solides
Dans les matériaux conducteurs, les porteurs de charges sont les électrons libres. Certains électrons ne sont pas « retenus » par le noyau et sont libres de se déplacer dans le métal.

Exemple : Dans le cuivre, il y a un électron libre par atome de cuivre. Le cuivre est un métal très bon conducteur électrique.

b. Dans les solutions
Dans les solutions, les porteurs de charges sont les ions (les anions : chargés négativement et les cations : chargés positivement).

 

L'essentiel

Dans un isolant, les électrons peuvent se déplacer sur des distances qui n'excèdent pas la taille de l'atome (10-10 m).

Dans un conducteur, les électrons peuvent se déplacer sur des grandes distances par rapport à la dimension de l'atome.

Les porteurs de charges sont les électrons libres dans les solides et les ions (anions et cations) dans les solutions.

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