Ce qui fait un bon conducteur électrique : Électrons libres et obstacles faibles
Tout est question d'électrons libres et de faibles obstacles
La conductivité électrique (σ) est l'inverse de la résistivité (ρ). Un bon conducteur maximise σ en combinant une densité élevée de porteurs de charge avec une mobilité élevée des porteurs.
Origines Microscopiques
- Métaux : « Mer d'électrons » — 1–2 électrons libres par atome (n ≈ 10²⁸–10²⁹ m⁻³). Faible diffusion → mobilité 10⁻³–10⁻² m²/V·s.
- Graphite : Électrons π délocalisés dans plans sp² — anisotrope (élevé dans le plan, faible transversal).
- Électrolytes / Plasmas : Ions / électrons comme porteurs — mobilité plus faible, mais n peut être élevé.
Propriétés Matériaux Clés
| Matériau | Résistivité @ 20 °C (nΩ·m) | Conductivité (% IACS) | Notes |
|---|---|---|---|
| Argent | 15,9 | 105 % | Meilleur conducteur bulk ; coût limite usage |
| Cuivre (recuit) | 16,8 | 100 % (déf) | Standard fils, barres, PCB |
| Or | 22,1 | 76 % | Contacts sans corrosion, fil liaison |
| Aluminium | 26,5 | 61 % | Léger ; lignes aériennes, feuillard |
| Tungstène | 52,8 | 31 % | Point fusion élevé ; filaments |
| Graphite (plan basal) | ~400 | ~4 % | Anisotrope ; balais, électrodes |
| Eau de mer | ~200 000 000 | ~0,008 % | Conduction ionique |
Facteurs Dégradant Conductivité
- Température : ρ ∝ T pour métaux (diffusion phonons). Cuivre +0,393 %/°C.
- Impuretés / Alliage : 1 % impureté → 20–50 % ρ augmentation (Règle Matthiessen).
- Écrouissage / Déformation : Dislocations diffusent électrons — fil recuit > fil étiré dur.
- Effet de peau : À HF, courant foule surface → R efficace ↑ ∝ √f.
- Oxydation / Corrosion : Film surface ajoute résistance contact.
Choix Ingénierie
Cuivre gagne pour la plupart câblages (coût, conductivité, ouvrabilité). Aluminium pour portées aériennes critiques poids. Or pour contacts fiables. Argent pour chemins RF effet peau critiques. Supraconducteurs (NbTi, YBCO) pour résistance CC nulle — à coût cryogénique.