Conducteur (physique)

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En physique, un conducteur est un matériau permettant des échanges d'énergie entre deux systèmes, par opposition à un isolant. On distingue les conducteurs d’électricité et les conducteurs thermiques.

Électricité

Général

En électricité, un conducteur est un matériau qui contient des porteurs de charge électrique mobiles.

Lorsque ce conducteur n'est soumis à aucun champ électrique ou, plus généralement, dans la situation décrite par la théorie de l'électrostatique, les porteurs de charge sont animés d'un mouvement aléatoire, ce qui fait qu'on n'observe aucun courant électrique, on dit que le conducteur est en équilibre électrostatique (voir conducteur en équilibre électrostatique).

Lorsqu'on lui applique un champ électrique, le mouvement des porteurs de charges devient partiellement ordonné, ce qui fait qu'on observe un courant électrique.

Par extension, un conducteur est un composant électrique ou électronique de faible résistance, servant à véhiculer le courant d'un point à un autre.

On parle aussi de conducteur pour désigner les objets suivants : fil électrique, câble, piste, barre, strap, cordonest.

Matériaux

• Parmi les matériaux conducteurs, on peut citer les métaux, les électrolytes (ou solutions ioniques) et les plasmas. Certains solides non métalliques, tels que le graphite, sont également conducteurs.
• Le conducteur parfait n'existe pas. Il s'agit en général d'un conducteur ohmique.
• Les semi-conducteurs sont des cas particuliers : leur conductivité dépend de conditions physique externes.
• Un autre type de conducteurs est constitué par les supraconducteurs, des conducteurs dont la résistance ohmique devient strictement nulle dans certaines conditions.
  • En dessous d'une certaine température dite « température critique » certains matériaux deviennent des supraconducteurs. Il est notable que ces matériaux ne sont pas forcément bons conducteurs à température normale
  • Actuellement, la température critique la plus élevée est 138 K, soit -135 °C.

Thermique

Un conducteur thermique est un matériau ayant une conductivité thermique élevée.

• Un conducteur thermique est utilisé pour conduire la chaleur. Dans cette fonction on appelle un conducteur un caloporteur, ce rôle est souvent dévolu à un fluide (liquide ou gaz).
• Les conducteurs thermiques sont aussi utilisés pour évacuer ou disperser la chaleur, notamment dans les radiateurs.
  • Soit pour évacuer cette dernière généralement dans l'atmosphère, afin d'éviter l'échauffement excessif d'un système produisant des calories, tel qu'un moteur a explosion;
  • Soit pour chauffer l'air d'un bâtiment (confort domestique) ou un produit (processus industriel).

Les meilleurs conducteurs thermiques sont les métaux et certains fluides.

Rapport entre conduction thermique et conduction électrique

Un bon conducteur électrique est souvent également un bon conducteur thermique (cas des métaux), et un bon isolant électrique est également souvent un bon isolant thermique.

Ceci vient du fait que les deux phénomènes font intervenir les phonons, les « paquets d'onde » de vibration du matériau. Pour simplifier, disons que les atomes du matériau vibrent entre eux, et que ces vibrations sont concentrées en paquets, comme des grumeaux qui se déplacent.

Le phénomène de résistance électrique est dû au freinage des électrons par les phonons. Le phénomène de conduction thermique consiste en la création de phonons et en leur déplacement, puisque la température d'un solide représente son énergie de vibration.

Il est donc logique que les deux soient liés.

Cependant on observe que le diamant, qui est un isolant électrique, est aussi un bon conducteur thermique. Ceci s'explique par le fait que la conductivité thermique est dictée par une série d'interactions entre d'une part les interactions électrons-phonons dans le cas des conducteurs électriques mais également les interactions phonons-phonons. Le diamant conduit bien la chaleur parce que ces éléments constitutifs (le carbone) sont des atomes très légers et, qui de par leurs fortes interactions, transmettent bien les vibrations à travers tout le réseau.

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