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Mouvement des électrons dans un métal
L' électrons est le porteur élémentaire de l'électricité. Que se passe t il dans un conducteur pour que l’électricité puisse circuler?
Pourquoi électron est libre de circuler au sein du fil électrique alors que les atomes ne bougent pas?
Souvent le conducteur est en cuivre. A l'échelle atomique, le tableau périodique des éléments ou tableau de Mendeleïev indique que le cuivre (Cu) possède 29 protons. Comme l'atome est neutre, il possède aussi 29 électrons répartis dans les couches électroniques.
On utilise ici le modèle semi-classique, modèle planétaire désigné également modèle atomique de Rutherford introduit en 1911.
Les électrons se répartissent sur les couches électroniques de plus en plus éloignées du noyau K,L,M et N
Dans ce modèle chaque couche peut accueillir au maximum 2*n² électrons ou n est le numéro de la couche.
| Couche | N° couche | Max. électrons | Cu |
|---|---|---|---|
| (K) | 1 | 2*1²= 2 | 2 |
| (L) | 2 | 2*2²= 8 | 8 |
| (M) | 3 | 2*3²= 18 | 18 |
| (N) | 4 | 2*4²= 32 | 1 |
Dans le cas du cuivre la couche la plus externe (dite couche de valence) est la couche N, elle contient 1 électron.
Le modèle planétaire a été complété par Bohr. Il y a proportion entre le numéro de la couche n et la distance au noyau de l'orbite de rayon r:
r ∝ n²
Dans le cas du cuivre, l'électron de la couche externe (N) est donc 16 fois plus éloignée du noyau qu'un électron de (K).
Les atomes sont regroupés en grand nombre. Les électrons subissent à la fois l'attractivité du noyau et la répulsion des électrons des atomes voisins. Les particules chargées subissent la force de Coulomb:
- Attractive quand elles sont de signe opposés
- Répulsive quand elles sont de même signe.
La force de Coulomb est proportionnelle à l'inverse du carré de la distance entre 2 charges.
F = k/r²
Si on considère un électron à la distance r du noyau. Il subit une force F1 = K/r²
Si cette electron est placé à la distance 2r il subit alors F2 = K/(2r)² F2 = K/4r² = 1/4 * F1
Un électron sur une orbite 2 fois plus lointaine subit une force 4 fois plus faible. En généralisant, un éléctron sur une couche n fois plus éloignée, la force subie est n² fois plus faible.
Pour le cuivre ayant un électron sur la couche externe (N) 16 fois plus éloigné que q'un electron sur (K), il subit une force 16²=256 fois plus faible.
Ainsi la force subit est si faible qu'elle entre en concurrence avec les forces des électrons des atomes voisins. C'est cette compétition entre les force qui lui permet d'être un électron libre capable de quitter son atome d'origine, il est peut circuler au sein du métal. Les autres électrons des couches inférieures sont trop attirés par le noyau pour quitter leurs orbites respectives.
Les noyaux restent fixes, ce qui explique que le fil de cuivre ne bouge pas, reste solide.
Ce comportement est vrai également pour l'argent et l'or possédant un seul électron sur leur couche externe.
Un électron est libre de quitter son atome d'origine mais va t-il le faire? On peut créer les conditions nécessaires pour contraindre son déplacement dans une direction particulière.
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