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181 lines
6.6 KiB

6 years ago
  1. ---
  2. title : conduction
  3. published : false
  4. ---
  5. <!-- Hola, c'est un peu bathar pour l'instant, un mixage entre la partie "main"
  6. et la partie "overview". Mais je n'ai pas le temps d'écrire les deux séparément
  7. pour mes étudiants. Et comme c'est pas encore publié, alors je dois en tiré un poly
  8. qui fait à la fois trop peu et mal par rapport à la partie "main", et pas assey succinct
  9. et synthétique pour la partie "overview". Mais quand tout ce premier cours
  10. d'électromagnétisme/ondes et propagation pour les FASNUM sera terminé, je reprendrai
  11. en partageant les idées tout cela.-->
  12. ## Qu'est-ce qu'un milieu conducteur électrique ?
  13. Un milieu est électriquement **conducteur** si il contient des *charges
  14. libres de se déplacer* à travers le milieu *sous l'influence d'un champ électrique*
  15. aussi faible soit-il.
  16. ![](conduction-1-2-L1200-new.gif)
  17. * Dans les **conducteurs solides**, les charges libres sont des *électrons*.
  18. * Dans les **conducteurs liquides (électrolytes)**, les charges libres sont des *ions
  19. positifs et des ions négatifs*.
  20. * Dans les **conducteurs gazeux (plasma)**, les porteurs de charges sont des *électrons et
  21. des ions positifs*.
  22. ## Qu'est-ce que vitesse de dérive et mobilité dans les conducteurs solides ?
  23. ### Vitesse de dérive dans un conducteur solide
  24. * Dans un **plasma peu dense**, chaque *particule libre* de charge $`q`$ et de masse $`m`$
  25. au repos est relativement libre de se déplacer. Sous l'effet de la force électrique
  26. $`\overrightarrow{F_E}=q \cdot \overrightarrow{E}`$,
  27. elle est accélérée $`\overrightarrow{a}=\overrightarrow{F_E}/m`$,
  28. et sa *vitesse augmente constamment* et peut atteindre des vitesses relativistes.
  29. * Dans un matériau dense comme un **conducteur solide**, au cours de sa trajectoire
  30. chaque *particule libre* de charge $`q`$ subit *pleins de "chocs"* (expression classique)
  31. avec notamment les atomes du réseau matériel, qui
  32. *relaxent sa quantité de mouvement et son énergie cinétique*.<br><br>
  33. $`\Longrightarrow`$ *mouvement désordonné sans direction privilégiée*, donc qui
  34. n'*induit pas de courant électrique* à travers une surface : c'est le
  35. **mouvement d'agitation thermique**.<br><br>
  36. $`\Longrightarrow`$ à ce mouvement d'agitation thermique se superpose un
  37. *lent mouvement de dérive en direction du champ électrique* (matériaux isotropes) qui
  38. réaccélère la particule entre deux chocs : c'est un **mouvement de dérive**.
  39. * Dans un volume mésoscopique de matériau conducteur et dans une description classique
  40. des forces moyennes qui agissent sur les particules libres chargées au sein de ce
  41. volume, les **chocs** agissent comme une *force de frottement* *$`\overrightarrow{F_{frot}}`$*
  42. *qui s'oppose à la force électrique* *$`\overrightarrow{F_E}`$*.
  43. * Lorsque ces deux forces sont égales en modules et de sens opposés
  44. *$`(\;\overrightarrow{F_{frot}}=-\overrightarrow{F_E}\;)`$*
  45. , la *force résultante s'annule*, donc l'accélération moyenne s'annule et la population
  46. de particules chargées libres d'un même type se déplacent globalement d'un vecteur
  47. vitesse appelé **vecteur vitesse de dérive $`\overrightarrow{v_{d}}`$**.<br><br>
  48. $`\Longrightarrow`$ de vitesse moyenne faible, mais de direction stable, le
  49. **mouvement de dérive** induit un *courant électrique dans le matériau*.
  50. <!--Remarque : au niveau 4, cela va vers les semi-conducteurs, puis les phénomènes de transport.-->
  51. ### Mobilité d'un matériau conducteur
  52. * Pour des valeurs de champ électrique pas "trop fort" (régime ohmique), la
  53. **vitesse de dérive $`\overrightarrow{v_d}`$** est
  54. *proportionnelle au champ électrique appliqué $`\overrightarrow{E}`$*.
  55. * Le *rapport de proportionnalité* entre $`\overrightarrow{v_d}`$ et $`\overrightarrow{E}`$
  56. s'appelle la mobilité :<br><br>
  57. **$`\overrightarrow{v_{d}}=-\mu \cdot \overrightarrow{E}`$**<br><br>
  58. $`\Longrightarrow`$ Plus un matériau aura une mobilité importante pour ses électrons
  59. libres par exemple, plus la vitesse de dérive des électrons sera importante pour
  60. un même champ électrique appliqué, plus le courant électrique sera important pour
  61. une même densité volumique en électrons libres. Par ailleurs, plus le matériau
  62. répondra en fréquence.
  63. ## Vecteur densité volumique de courant
  64. ### Avec un seul type de porteur de charge
  65. Soit un matériau solide conducteur soumis à un champ électrique extérieur $`\overrightarrow{E}`$.
  66. * En un temps $`dt`$, en moyenne un porteur de charge libre parcourt un vecteur
  67. distance $`\overrightarrow{dl}`$ telle que :
  68. **$`\overrightarrow{dl}= \overrightarrow{v_d} \cdot dt`$**
  69. Soit une petite surface mésoscopique $`\overrightarrow{dS}`$ orientée en direction
  70. et sens du courant électrique.
  71. * Les porteurs qui traverseront en ce temps $`dt`$ la surface $`\overrightarrow{dS}`$
  72. sont ceux situés dans le parallélépipède rectangle de section $`dS`$ et de longueur $`d`$,
  73. donc de volume mésoscopique $`d\tau`$ tel que :<br>
  74. $`d\tau = dl \cdot dS = ||\overrightarrow{v_d}|| \cdot dt\cdot dS`$.
  75. * La charge totale $`dQ_{dS}`$ qui traverse dans le temps $`dt`$ est donc la charge
  76. * totale $`dQ_{d\tau}`$ des porteurs de charge libres contenus dans le volume $`d\tau`$.
  77. <!--images individuelles du gif 1-2
  78. ![](conducteur-1-L1200-new-ok.jpg)
  79. ![](conducteur-2-L1200-new-ok.jpg) -->
  80. <!-- images individuelles du gif 2-3-4-5
  81. ![](conducteur-3-L1200-new-ok.jpg)
  82. ![](conducteur-4-L1200-new-ok.jpg)
  83. ![](conducteur-5-L1200-new-ok.jpg) -->
  84. ![](conduction-2-3-4-5-L1200-new.gif)
  85. <!-- images individuelles du gif 5-6-7
  86. ![](conducteur-6-L1200-new-ok.jpg)
  87. ![](conducteur-7-L1200-new-ok.jpg) -->
  88. ![](conduction-5-6-7-L1200-new.gif)
  89. <!-- images individuelles du gif 7-8
  90. ![](conducteur-8-L1200-new-ok.jpg) -->
  91. ![](conduction-7-8-L1200-new.gif)
  92. ![](conducteur-9-L1200-new-ok.jpg)
  93. ![](conducteur-10bis-L1200-new-ok.jpg)
  94. ![](conducteur-11-L1200-new-ok.jpg)
  95. ![](conducteur-12-L1200-new-ok.jpg)
  96. ## Que représente le vecteur densité superficielle de courant ?
  97. ![](densite-surfacique-courant-L1200.jpg)
  98. ## Quelle équation indique la conservation de la charge ?
  99. ![](charge-conservation-1-L1200.jpg)
  100. ![](charge-conservation-2bis-L1200.jpg)
  101. ## Quelle est la loi d'Ohm ?
  102. ![](Ohm-law-L1200.jpg)
  103. ## Un circuit conducteur est-il chargé ?
  104. Probablement circuit conducteur en régime stationnaire ou lentement variable
  105. ![](circuit-conducteur-1-L1200-colored-ok.jpg)
  106. ![](circuit-conducteur-2-L1200-colored-ok.jpg)
  107. Ca, ca va passer dans l'électrostatique de la matière :
  108. ici des conducteurs
  109. je prépare l'électrostatique des diélectriques
  110. ![](electrostatics-conducteur-1-L1200-colored-ok.jpg)
  111. ![](circuit-electrique-2-L1200.jpg)
  112. ![](charge-conservation-law-L1200.jpg)
  113. ![](charge-conservation-law-stationary-current.jpg)