Conductivité : Capacité des matériaux à conduire chaleur ou électricité

Conductivité : Thermique et Électrique

La propriété décrivant la capacité d'un matériau à laisser passer chaleur ou électricité est la conductivité. C'est l'inverse de la résistivité (ρ).

Conductivité électrique (σ ou κ)

• Définition : σ = J / E (Densité courant / Champ électrique) = 1 / ρ. Unité : Siemens par mètre (S/m).
• Mécanisme : Flux porteurs charge (électrons métaux, ions électrolytes, électrons/trous semiconducteurs).
• Conducteurs (σ élevée) : Argent (63×10⁶ S/m), Cuivre (59,6), Or (45), Aluminium (37,7). Utilisés fils, barres, contacts.
• Isolants (σ faible) : PTFE (10⁻¹⁶), Verre (10⁻¹²), Caoutchouc, Céramique. Utilisés isolation, diélectriques.
• Semiconducteurs (σ ajustable) : Si, Ge, GaAs. σ contrôlé par dopage (10⁻⁴ – 10⁴ S/m). Base électronique.
• Supraconducteurs : σ = ∞ (ρ = 0) sous T_c. Perte DC nulle.

Conductivité thermique (k ou λ)

• Définition : Flux chaleur / Gradient température. q = -k ∇T. Unité : Watts par mètre-Kelvin (W/m·K).
• Mécanisme : Vibrations réseau (phonons) + diffusion électrons (métaux).
• k élevée : Diamant (2000), Argent (429), Cuivre (401), Aluminium (237), Graphène (~5000). Utilisés radiateurs, diffuseurs, substrats.
• k faible (Isolants) : Aérogel (0,015), Mousse polyuréthane (0,03), Fibre verre (0,04), Air (0,026). Utilisés isolation thermique.

Loi Wiedemann-Franz

Pour métaux, conductivité électrique et thermique liées par électrons libres :

k / σ = L × T (L = nombre Lorenz ≈ 2,44×10⁻⁸ W·Ω/K²)

Bons conducteurs électriques sont bons conducteurs thermiques. Exception : Diamant (k élevée, σ=0).

Implications pratiques

• Dimensionnement fils : σ détermine ampacité (perte I²R → chaleur).
• Matériau radiateur : Al (pas cher, léger) vs Cu (meilleur k) vs Diamant (extrême).
• Vias thermiques PCB : Barillets Cu conduisent chaleur composant vers plans.
• TIM (Matériau interface thermique) : Pâte/pad k = 1–10 W/m·K comble vides air (k=0,026).
• Sélection isolants : Haute résistivité électrique + haute conductivité thermique (AlN, BeO, Al₂O₃ céramiques) pour modules puissance.

Résumé : Conductivité quantifie facilité flux énergie (charge ou chaleur). σ/k élevé = conducteur (Cu, Al). σ/k faible = isolant (plastique, céramique). Semiconducteurs entre deux, contrôlables par dopage.