Explication physique du courant électrique - Tous les matériaux peuvent ils conduire le courant électrique !?

Ce que nous appelons courant électrique est devenu indispensable pour tous nos besoins quotidiens. Presque tous les appareils fabriqués de nos jours ont besoin de courant électrique comme source d'énergie. Et avec l’ avènement de la mobilité électrique, il est clair que cette chose qu’on appelle courant électrique n’est pas prêt de disparaître.

Contrairement à d'autres sources d' énergies comme le pétrole, le gaz ou encore le charbon dont l'origine est assez évident et leur représentation physique assez claire. On s'imagine assez rapidement et facilement qu'ils sont extraits du sol. L'origine et la représentation du courant électrique sont pourtant assez floues. 

D’ailleurs, c’est quoi le courant électrique en fait ?

Nous savons par exemple que les métaux sont d'exellents conducteurs de courant électrique et d'autres matériaux comme le bois par exemple ne le sont pas. 

Pourquoi est-ce ainsi? Nous le verrons dans cet article.

Nous le savons tous, tout ce qui nous entoure, que ce soit sur notre belle planète la terre ou dans l’espace, enfin l’espace connu par l’Homme jusqu'ici, n’est finalement qu’un ensemble d’atomes, communément appelé molécule. Nous sommes tous constitués d’atomes !!

Alors nous connaissons la représentation très simpliste de l’atome. Nous avons comme ça un noyau central constitué de particules appelées protons et de neutrons et d'autres particules appelées électrons qui gravitent sur des orbites autour du noyau. Une Caractéristique interessante et importante de l'atome est que le nombre d'électrons qui gravite autour du noyau est défini selon des règles bien précises. 

Le nombre de protons, de neutrons, et d'électrons d'un atome est ce qui fait la différence entre un atome d'hydrogène qui a un proton, un neutron et un électron et un atome d'hélium qui a plutôt 2 protons, deux neutrons et deux électrons.

Alors, il est important de préciser ici que c'est une représentation très simpliste de la constitution de l'atome selon le modèle de Bohr, du physicien danois Niels Bohr. Ce modèle restreint la liste des composants atomiques aux protons, neutrons et électrons. 

En réalité, la structure et la composition de l'atome est beaucoup plus complexe avec d'autres particules moins connues par le grand public comme les quarks, les leptons, les bosons de jauge et cetera. 

C'est aussi important de noter que notre compréhension des particules élémentaires et de la structure atomique continue d'évoluer avec de nouvelles découvertes et recherches dans le domaine de la physique des particules. 

Un exemple marrant. Voici une représentation de l'atome d'hydrogène selon le modèle de Bohr et selon un modèle plus complexe, relativement récent et plus rapproché de la réalité: Le modèle orbitale atomique. 

Chez le premier, l'électron a une trajectoire et une direction apparement bien défini. Par contre, dans l'autre modèle, on a une fonction qui donne plutôt la probabilité de la présence à un moment donné d'un électron dans une région donnée de cet atome.

Néanmoins, Le modèle de Bohr est amplement suffisant à ce niveau pour comprendre le fonctionnement générale de l'atome et plus spécialement des électrons.

Revenons donc à la représentation simplifiée et considérons les orbites autour desquelles gravitent les électrons ! Selon le nombre d'électrons qu'il possède, un atome a un certain nombre d'orbites. Un atome peut avoir de une à sept orbites au maximum et chacune de ces orbites a un nombre maximal d'électrons qu'elle peut contenir selon la formule 2n², où n est la position de l'orbite.

Disposition des électrons sur les quatre premières orbites:

• Première orbite n = 1 : Peut contenir jusqu'à 2 électrons.

• Deuxième orbite n = 2 : Peut contenir jusqu'à 8 électrons.

• Troisième orbite n = 3 : Peut contenir jusqu'à 18 électrons.

• Quatrième orbite n = 4 : Peut contenir jusqu'à 32 électrons.

• etc..

Comme exemple, on va prendre l'atome de l'hélium qui a deux électrons. Et donc, sa représentation orbitale sera d'une seule orbite avec deux électrons, qui est donc le nombre maximum d'électrons sur cette orbite là. On dira que la couche électronique de cet atome est saturée.

Un dernier exemple pour la route avec l'atome de Neon (Ne) qui a 10 électrons au total. Alors il remplira une première orbite avec 2 électrons et la deuxième orbite avec 8 électrons.

Ce type d'atomes qui ont toutes leurs couches électroniques appartiennent au 8e groupe principal du tableau périodique et sont appelés gaz nobles.

Qu' est ce qui se passe pour les couches non pleines?

Bien sur il en existe et c'est le cas de l'aluminium par exemple. L'aluminium a 13 électrons au total, ce qui veut dire qu'elle possède trois orbites avec la répartition suivante.

• Première orbite contient 2 électrons.

• Deuxième orbite contient 8 électrons.

• Troisième orbite contient les 3 électrons restants

Nous remarquons donc que la dernière couche de l'atome d'aluminium ne contient que 3 électrons sur 18 possibles. On parle ici d'une couche électronique non saturée.

Imaginons deux atomes d'aluminium côte à côte. Nous constaterons que les électrons de la dernière coquille non saturée peuvent se déplacer d'un atome à l'autre. Ainsi, si nous plaçons plusieurs atomes d'aluminium côte à côte, nous observerons un déplacement aléatoire des électrons sur les couches libres des atomes.

Ce transfert d'électrons entre deux atomes voisins est appelé liaison chimique et est conditionné par la besoin de chaque atome de remplir sa coquille externe. Ce phénomène est régi par deux principes importants, l'énergie de liaison et la théorie de la bande, qui ne seront pas abordés en détail dans cet article.

À une plus grande échelle, où plusieurs atomes d'aluminium sont placés côte à côte, nous avons donc des électrons libres qui se déplacent librement entre leurs coquilles externes respectives. Ces mouvements sont cependant désordonnés, ils n'ont pas de direction précise.

Imaginons maintenant qu'il y'ait une force quelconque, qui forcerait ces électrons libres à se déplacer dans une seule direction, on obtiendrai alors ce qu'on a conventionnellement  appelé le courant électrique.

Par définition: le courant électrique est un déplacement unidirectionnel des électrons grace à une force motrice

Alors, Cette force motrice  est appelé la tension électrique. Mais on verra ceci plus en profondeur dans un autre article.

La vidéo ci-dessous montre le déplacement des électrons avec et sans force motrice dans un matériau conducteur comme le cuivre par exemple. Lorsque l'interrupteur est sur "OFF", aucune force n'est exercée sur les électrons qui se déplacent donc au hasard. Lorsque l'interrupteur est sur "ON", une force est exercée pour forcer les électrons à se déplacer de haut en bas. Ce flux d'électrons dans une direction donnée est ce que l'on appelle courant électrique qui fait briller l'ampoule.

Source: https://javalab.org/ 

Ce qui est intéressant ici, c'est de comprendre que chaque élément sur terre a des électrons, il n'y a juste que des structures moléculaires qui permettent aux électrons de circuler plus facilement, librement et en quantité suffisante pour produire un courant électrique.

Si je prends donc un élément comme l'aluminium ou le cuivre, sa structure moléculaire et atomique sont telles que les électrons peuvent circuler très facilement. De tels matériaux sont dits conducteurs.

En revanche, le bois, par exemple, a une structure moléculaire qui ne permet pas la libre circulation des électrons, car il n'y a pas d'électrons libres sur sa dernière couche qui puissent se déplacer. Dans ce cas, on parle de matériaux isolants.

En conclusion:

Nous comprenons ainsi pourquoi la découverte du courant électrique a révolutionné le monde, car nous n'avons pas besoin de le créer, il est déjà présent dans tous les éléments qui nous entourent. Il nous suffit de combiner des matériaux compatibles entre eux pour permettre sa libre circulation

Dans un prochain article, nous verrons pourquoi le courant électrique alimente nos appareils. Qu'est-ce que cela signifie réellement d'alimenter un appareil en électricité ? Que se passe-t-il physiquement pour que nos appareils fonctionnent ? Quelle est la force motrice, la tension électrique, qui est étroitement liée au concept de courant électrique ? 

C'est la fin de ce premier article sur l'étude des sciences naturelles. Si vous aimez ce format dans lequel j'explique le comportement physique de nombreux phénomènes qui nous entourent et nous accompagnent dans notre vie quotidienne, inscrivez-vous à ma newsletter pour être averti lorsque je publierai le prochain article.

Salut amis de la science !