Chapitre II – Le courant électrique dans les métaux

I – La structure de l’atome.

1) Historique du modèle de l’atome

Dès 420 avant J.C., Démocrite (philosophe grec) a l’intuition de l’existence des atomes et invente leur nom (« atomos » en grec qui signifie insécable). Ceux-ci sont très petits, de différentes formes (rond ou crochus, lisses ou rugueux) et s’associent pour former les objets qui nous entourent.

Aristote (philosophe grec) conteste cette existence et son prestige est tel qu’il faut attendre le début du XIXème siècle pour que cette idée reprenne vie.

Les alchimistes du Moyen Age développent une chimie du « pifomètre ». Elle consiste plutôt en de multiples tentatives d’expériences plus ou moins au hasard en vue d’un but, par exemple transformer le plomb en or ! Si la compréhension des phénomènes inhérents aux expériences ne les intéresse pas leurs comptes rendus se révèlent de bonnes sources d’information pour les premiers chimistes « modernes » tel Lavoisier.

En 1647, un français,  Pierre GASSENDI, remet au goût du jour l’idée d’atomes et affirme que toutes les substances se composent de particules indivisibles, les atomes. Les atomes diffèrent par la forme , la grandeur et la masse. Selon lui, l’atome, c’est la même chose que le matériau de construction des maisons. Avec trois sortes de matériaux – briques, planches et poutres – on peut construire une foule de bâtisses des plus diverses.  De la même façon, quelques dizaines d’atomes différents permettent à la nature de créer des milliers de corps absolument différents. Dans chacun des corps, ces atomes se réunissent en petits groupes que Gassendi appellera « molécules ».

  • En 1805, John Dalton annonce au monde l’existence des atomes.

  • En 1881, J.J. Thomson découvre l’un des composants de l’atome. Il s’agit de particules élémentaires négatives appelées en 1891 électrons.
  • Au début du XXème siècle, l’ambition des physiciens est de proposer un modèle de l’atome en précisant la répartition de la charge électrique à l’intérieur de celui-ci.
  • En 1904, Thomson partant de l’idée que l’atome est électriquement neutre, pense qu’il doit contenir des charges positives qui doivent compenser les charges négatives des électrons. Il suppose que la charge positive est répartie dans un petit volume (qui peut avoir la forme d’une sphère) et qu’elle est parsemée d’électrons (pudding de Thomson).

  • En 1910, Rutherford bombarde différents échantillons de matière (cuivre, or, argent) avec des particules et il déduit de son expérience que la charge positive doit occuper un tout petit volume qu’il appelle « noyau ». Après « un petit calcul », il trouve que la majorité de la masse de l’atome est concentrée dans un noyau minuscule. Les dimensions du noyau sont de l’ordre de 10-15 m (100.000 fois moins que les dimensions de l’atome) et sa charge totale est un multiple entier de la charge de l’électron (au signe près).
  • Rutherford pense alors au modèle planétaire pour décrire un atome. En effet, la masse du système solaire est essentiellement concentrée dans le Soleil tout comme celle de l’atome est concentrée dans le noyau. Il propose donc comme modèle un tout petit noyau chargé positivement et comportant l’essentiel de la masse de l’atome, autour duquel les électrons décrivent des orbites.

Depuis, d’autres modèles plus complexes ont permis d’expliquer de nombreux autres phénomènes. Le modèle actuel de l’atome est l’aboutissement d’une longue histoire au cours de laquelle les représentations qu’on s’en fait ont profondément évolué.

Nous retiendrons pour la classe de troisième un modèle simple constitué d’un noyau autour duquel gravitent des électrons qui forment un nuage électronique.

 

2) Structure de l’atome.

• Les atomes sont les constituants de la matière. Ce sont des particules extrêmement petites car leur dimension est de l’ordre du dixième de nanomètre.

• 1 nm = 10-9 m (1 milliardième de m).

• Un atome est constitué d’un noyau autour duquel tournent des électrons.

Les électrons :

• Chaque électron porte une seule charge négative.

• Ils sont tous identiques.

• Ils forment le nuage électronique.

• Ils ont une masse très faible (négligeable).

• Ils donnent sa taille à l’atome.

Le noyau :

• Contient des charges positives (protons).

• Contient presque toute la masse de l’atome.

• Est 100000 fois plus petit que l’atome.

L’atome est électriquement neutre : le nombre de charges positives du noyau est donc égal au nombre de charges négatives des électrons.

Il y a donc autant de protons que d’électrons dans un atome.

Un atome est essentiellement constitué de vide : on dit qu’il a une structure lacunaire.

II – Le courant électrique dans un métal

1) Les solides conducteurs.

Expérience :

On réalise le montage suivant en intercalant différents matériaux dans le circuit.

  • Si la lampe s’éclaire, le matériau est conducteur de l’électricité.
  • Si elle reste éteinte, c’ est un isolant électrique.

Cette expérience nous prouve que tous les solides ne conduisent pas le courant électrique.

Par contre, tous les métaux sont des conducteurs électriques.

2) Pourquoi les métaux conduisent-ils le courant?

Un microscope à effet tunnel montre que les métaux sont constitués d’atomes rangés de façon ordonnée.

Dans ces atomes, la plupart des électrons sont solidement liés au noyau. Cependant, certains électrons peuvent se déplacer d’un atome à l’autre avec facilité. Ce sont des électrons libres.

Dans un métal, le courant électrique est donc dû à la circulation d’électrons libres.

3) Sens de déplacement des électrons libres.

Voici le modèle de la structure d’un métal dans 2 cas :

• En l’absence de tension électrique :

En l’absence de générateur, le mouvement des électrons libres est incessant et désordonné.

• On applique une tension aux extrémités :

Le générateur du circuit attire  les électrons vers le pôle +.

Le générateur provoque un mouvement d’ensemble des électrons libres vers la borne positive du générateur.

Rappel : A l’extérieur du générateur, le sens conventionnel du courant est dirigé de la borne + vers la borne -.

Conclusion : Les électrons libres se déplacent donc dans le sens opposé au sens conventionnel du courant.

Remarque : Les isolants n’ont pas d’électrons libres.

4) Schéma récapitulatif.

 

EXERCICES                   CORRECTION

 

 

Historique du modèle de l’atome

Cours au format Powerpoint

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  • Dans l'enseignement de l'électricité, vive la comparaison entre circuits hydrauliques et circuits électriques (poussée le plus loin possible) !
    Ma question hyper naïve (je vous aurai prévenus) : Installer une résistance (de n Ohms) permet de réduire l'intensité du courant (ampérage)... Mais quelle utilité ?

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