dans les solides métalliques, la charge électrique circule au moyen d’électrons, du potentiel électrique inférieur au potentiel électrique supérieur. Dans d’autres milieux, tout flux d’objets chargés (ions, par exemple) peut constituer un courant électrique. Pour fournir une définition du courant indépendante du type de porteuses de charge, le courant conventionnel est défini comme se déplaçant dans la même direction que le flux de charge positif., Ainsi, dans les métaux où les porteurs de charge (électrons) sont négatifs, le courant conventionnel est dans la direction opposée au mouvement global des électrons. Dans les conducteurs où les porteurs de charge sont positifs, le courant conventionnel est dans la même direction que les porteurs de charge.
Dans l’absolu, un faisceau d’ions ou d’électrons peut être formé. Dans d’autres matériaux conducteurs, le courant électrique est dû à l’écoulement de particules chargées positivement et négativement en même temps. Dans d’autres encore, le courant est entièrement dû à un flux de charge positif., Par exemple, les courants électriques dans les électrolytes sont des flux d’ions chargés positivement et négativement. Dans une cellule électrochimique au plomb commune, les courants électriques sont composés d’ions hydronium positifs circulant dans une direction et d’ions sulfate négatifs circulant dans l’autre. Les courants électriques dans les étincelles ou le plasma sont des flux d’électrons ainsi que des ions positifs et négatifs. Dans la glace et dans certains électrolytes solides, le courant électrique est entièrement composé d’ions circulant.,
métaux
Dans un métal, certains des électrons externes de chaque atome ne sont pas liés aux molécules individuelles comme ils le sont dans les solides moléculaires, ou dans des bandes complètes comme ils le sont dans les matériaux isolants, mais sont libres de se déplacer dans le réseau métallique. Ces électrons de conduction peuvent servir de porteurs de charge, transportant un courant. Les métaux sont particulièrement conducteurs parce qu’il y a beaucoup de ces électrons libres, typiquement un par atome dans le réseau., Sans champ électrique externe appliqué, ces électrons se déplacent au hasard en raison de l’énergie thermique, mais, en moyenne, il n’y a aucun courant net dans le métal. À température ambiante, la vitesse moyenne de ces mouvements aléatoires est de 106 mètres par seconde. Étant donné une surface à travers laquelle passe un fil métallique, les électrons se déplacent dans les deux directions à travers la surface à une vitesse égale. Comme L’a écrit George Gamow dans son livre de vulgarisation scientifique, One, Two, Three…,Infinity (1947), « les substances métalliques diffèrent de tous les autres matériaux par le fait que les coquilles extérieures de leurs atomes sont liées assez lâchement et laissent souvent l’un de leurs électrons se libérer. Ainsi, l’intérieur d’un métal est rempli d’un grand nombre d’électrons non attachés qui voyagent sans but comme une foule de personnes déplacées. Lorsqu’un fil métallique est soumis à une force électrique appliqué sur ses extrémités opposées, ces électrons libres précipite dans la direction de la force, formant ainsi ce que nous appelons un courant électrique., »
Lorsqu’un fil métallique est connecté aux deux bornes d’une source de tension continue telle qu’une batterie, la source place un champ électrique à travers le conducteur. Au moment où le contact est établi, les électrons libres du conducteur sont obligés de dériver vers la borne positive sous l’influence de ce champ. Les électrons libres sont donc le porteur de charge dans un conducteur solide typique.,
Pour un flux constant de charge à travers une surface, le courant I (en ampères) peut être calculée avec l’équation suivante:
I = Q t , {\displaystyle I={Q \p}\,,}
où Q est la charge électrique transférée à travers la surface sur un temps t. Si Q et t sont mesurés en coulombs et des secondes, respectivement, I en ampères.
plus généralement, le courant électrique peut être représenté comme la vitesse à laquelle la charge traverse une surface donnée comme:
I = d Q d T. {\displaystyle I={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} t}}\,.,}
Électrolytes
proton conducteur dans un champ électrique statique.
Les courants électriques dans les électrolytes sont des flux de particules chargées électriquement (ions). Par exemple, si un champ électrique est placé à travers une solution de Na+ et Cl− (et que les conditions sont correctes), les ions sodium se déplacent vers l’électrode négative (cathode), tandis que les ions chlorure se déplacent vers l’électrode positive (anode). Les réactions ont lieu sur les deux surfaces de l’électrode, neutralisant chaque ion.,
la glace D’eau et certains électrolytes solides appelés conducteurs de protons contiennent des ions hydrogène positifs (« protons ») qui sont mobiles. Dans ces matériaux, les courants électriques sont composés de protons en mouvement, par opposition aux électrons en mouvement dans les métaux.
dans certains mélanges d’électrolytes, les ions de couleurs vives sont les charges électriques en mouvement. La lente progression de la couleur rend le courant visible.,
gaz et plasmas
dans l’air et les autres gaz ordinaires situés en dessous du champ de décomposition, la source dominante de conduction électrique provient de relativement peu d’ions mobiles produits par les gaz radioactifs, la lumière ultraviolette ou les rayons cosmiques. Comme la conductivité électrique est faible, les gaz sont des diélectriques ou des isolants. Cependant, une fois que le champ électrique appliqué s’approche de la valeur de dégradation, les électrons libres deviennent suffisamment accélérés par le champ électrique pour créer des électrons libres supplémentaires en entrant en collision et en ionisant des atomes ou des molécules de gaz neutre dans un processus appelé dégradation par avalanche., Le processus de décomposition forme un plasma qui contient suffisamment d’électrons mobiles et d’ions positifs pour en faire un conducteur électrique. Dans le processus, il forme un chemin conducteur émettant de la lumière, tel qu’une étincelle, un arc ou un éclair.
le Plasma est l’état de la matière où certains des électrons d’un gaz sont dépouillés ou « ionisés » de leurs molécules ou atomes. Un plasma peut être formé par une température élevée, ou par application d’un champ magnétique électrique ou alternatif élevé comme indiqué ci-dessus., En raison de leur masse inférieure, les électrons dans un plasma accélèrent plus rapidement en réponse à un champ électrique que les ions positifs plus lourds, et portent donc la majeure partie du courant. Les ions libres se recombinent pour créer de nouveaux composés chimiques (par exemple , briser l’oxygène atmosphérique en oxygène unique, qui se recombine ensuite pour créer de l’ozone ).
Vide
Depuis un « vide parfait » ne contient pas de particules chargées, il se comporte normalement, comme un parfait isolant., Cependant, les surfaces d’électrodes métalliques peuvent provoquer une zone du vide à devenir conductrice en injectant des électrons libres ou des ions à travers l’émission d’électrons de champ ou l’émission thermionique. L’émission thermionique se produit lorsque l’énergie thermique dépasse la fonction de travail du métal, tandis que l’émission d’électrons de champ se produit lorsque le champ électrique à la surface du métal est suffisamment élevé pour provoquer un tunnel, ce qui entraîne l’éjection d’électrons libres du métal dans le vide., Les électrodes chauffées à l’extérieur sont souvent utilisées pour générer un nuage d’électrons comme dans le filament ou la cathode chauffée indirectement des tubes à vide. Les électrodes froides peuvent également produire spontanément des nuages d’électrons par émission thermionique lorsque de petites régions incandescentes (appelées taches de cathode ou taches d’anode) sont formées. Ce sont des régions incandescentes de la surface de l’électrode qui sont créées par un courant élevé localisé. Ces régions peuvent être initiées par l’émission d’électrons de champ, mais sont ensuite soutenues par l’émission thermionique localisée une fois qu’un arc de vide se forme., Ces petites régions émettrices d’électrons peuvent se former assez rapidement, voire de manière explosive, sur une surface métallique soumise à un champ électrique élevé. Les tubes à vide et les sprytrons sont quelques-uns des dispositifs électroniques de commutation et d’amplification basés sur la conductivité du vide.
Supraconductivité
la supraconductivité est un phénomène de résistance électrique exactement nulle et d’expulsion des champs magnétiques se produisant dans certains matériaux lorsqu’ils sont refroidis en dessous d’une température critique caractéristique. Il a été découvert par Heike Kamerlingh on le 8 avril 1911 à Leyde., Comme le ferromagnétisme et les raies spectrales atomiques, la supraconductivité est un phénomène mécanique quantique. Il est caractérisé par l’effet Meissner, l’éjection complète des lignes de champ magnétique de l’intérieur du supraconducteur lors de sa transition vers l’état supraconducteur. L’apparition de l’effet Meissner indique que la supraconductivité ne peut pas être comprise simplement comme l’idéalisation de la conductivité parfaite en physique classique.,
Semiconductor
Dans un semi-conducteur, il est parfois utile de penser que le courant est dû à l’écoulement de « trous » positifs (les porteurs de charge positifs mobiles qui sont des endroits où le cristal semi-conducteur manque un électron de valence). C’est le cas dans un semi-conducteur de type P. Un semi-conducteur a une conductivité électrique de magnitude intermédiaire entre celle d’un conducteur et d’un isolant. Cela signifie une conductivité à peu près comprise entre 10-2 et 104 siemens par centimètre (S cm cm−1).,
dans les semi-conducteurs cristallins classiques, les électrons ne peuvent avoir d’énergies que dans certaines bandes (c’est-à-dire des plages de niveaux d’énergie). Énergétiquement, ces bandes sont situées entre l’énergie de l’état fondamental, l’état dans lequel les électrons sont étroitement liés aux noyaux atomiques du matériau, et l’énergie de l’électron libre, cette dernière décrivant l’énergie nécessaire pour qu’un électron s’échappe entièrement du matériau., Les bandes d’énergie correspondent chacune à de nombreux états quantiques discrets des électrons, et la plupart des États à faible énergie (plus proches du noyau) sont occupés, jusqu’à une bande particulière appelée bande de valence. Les semi-conducteurs et les isolateurs se distinguent des métaux parce que la bande de valence dans un métal donné est presque remplie d’électrons dans des conditions de fonctionnement habituelles, alors que très peu (semi-conducteurs) ou pratiquement aucun (isolant) d’entre eux sont disponibles dans la bande de conduction, la bande immédiatement au-dessus de la bande de valence.,
La facilité d’exciter des électrons dans le semi-conducteur de la bande de valence à la bande de conduction dépend de la bande écart entre les bandes. La taille de cette bande interdite d’énergie Sert de ligne de séparation arbitraire (environ 4 eV) entre les semi-conducteurs et les isolants.
avec des liaisons covalentes, un électron se déplace en sautant vers une liaison voisine. Le principe D’exclusion de Pauli exige que l’électron soit élevé dans l’état anti-liaison supérieur de cette liaison., Pour les États délocalisés, par exemple dans une dimension – c’est-à-dire dans un nanofil, pour chaque énergie, il y a un état avec des électrons circulant dans une direction et un autre État avec les électrons circulant dans l’autre. Pour un net courant, plus d’états pour une direction que pour l’autre direction doit être occupé. Pour que cela se produise, de l’énergie est nécessaire, car dans le semi-conducteur, les états supérieurs suivants se trouvent au-dessus de la bande interdite. Souvent, cela est indiqué comme suit: les bandes complètes ne contribuent pas à la conductivité électrique., Cependant, à mesure que la température d’un semi-conducteur dépasse le zéro absolu, il y a plus d’énergie dans le semi-conducteur à dépenser pour la vibration du réseau et pour les électrons excitants dans la bande de conduction. Les électrons porteurs de courant dans la bande de conduction sont connus sous le nom d’électrons libres, bien qu’ils soient souvent simplement appelés électrons si cela est clair dans le contexte.