Comprendre la conductivité électrique

Qu’est-ce que la conductivité électrique ?

La conductivité électrique est la capacité d'un objet, d’une solution ou d’un matériau à conduire le courant électrique. Elle dépend principalement de la nature du support et de la manière dont ses électrons peuvent se déplacer. Par définition, la conductivité électrique est l’inverse de la résistance.

• Principe de base : La conductivité électrique est déterminée par le déplacement des électrons à travers un matériau. Elle correspond au rapport entre la densité de courant et l'amplitude du champ électrique. Plus les électrons se déplacent facilement, plus la conductivité est élevée.
• Symbole : la conductivité est représentée par la lettre grecque σ (sigma).

Objectif de la conductivité électrique

L’étude de la conductivité permet de sélectionner les matériaux adaptés aux différents usages, que ce soit pour transporter l’électricité, concevoir des circuits électroniques ou encore développer des infrastructures énergétiques.

Unité de mesure de la conductivité électrique

L’unité de mesure dans la conductivité électrique s’exprime en siemens par mètre (S/m) dans le Système International. Elle reflète la capacité d'un matériau à conduire l'électricité sur une certaine distance.

Propriétés des matériaux

Les matériaux sont classés en trois grandes catégories selon leur conductivité électrique : les conducteurs, les isolants, et les semi-conducteurs.

Quels sont les matériaux conducteurs ?

Les matériaux conducteurs sont ceux qui permettent le passage du courant électrique avec une faible résistance. 

Voici quelques exemples :

• Cuivre : matériau utilisé en masse dans les réseaux électriques et les câbles électriques. Le cuivre se révèle être le meilleur conducteur, cependant, sa densité est supérieure à l’aluminium, ce qui fait par conséquent, son prix plus cher à l’achat.
• Argent : utilisé dans les contacteurs et disjoncteurs et notamment sur les panneaux photovoltaïques,  l’argent est peu utilisé en raison de son coût.
• Aluminium : très utilisé dans l’électronique où la légèreté est un critère important, ou dans les lignes de transmission, c’est un métal mobilisé par la transition bas-carbone.

Quels sont les matériaux isolants ?

Les matériaux isolants sont nombreux. Les plus connus sont le caoutchouc, le verre et le plastique ou d’autres encore comme le papier, le bois sec, la porcelaine et le carton, etc. Tous, possèdent une très faible conductivité, ce qui les rend adaptés pour bloquer le passage du courant électrique.

Semi-conducteurs

Des technologies de semi-conducteurs se développent notamment celle du carbure de silicium qui peut conduire l'électricité. Sous l’impulsion du domaine automobile et des véhicules électriques, une croissance est attendue de 87 % sur le marché des bornes de recharge.

Le gallium est également un matériau semi-conducteur utilisé dans l’électronique pour les circuits intégrés des ordinateurs, smartphones, puces wifi, LED, laser, ainsi que pour la production de panneaux photovoltaïques.

Méthodes de mesure de la conductivité électrique

La conductivité électrique peut être mesurée à l’aide de plusieurs méthodes :

• conductimètre : Cet appareil est couramment utilisé pour mesurer la conductivité des solutions liquides, souvent dans le domaine de la chimie analytique.
• méthodes basées sur la résistivité : en mesurant la résistivité d’un matériau, il est possible de déduire sa conductivité en utilisant la formule suivante : 

la résistivité ρ du métal (en ohms mètres) est donnée par la formule :
ρ = RS (résistance) / L (longueur)

• mesure dans les liquides : dans les solutions, la conductivité dépend de la concentration des ions dissous, qui facilitent le transport de la charge électrique.

Applications pratiques de la conductivité électrique

La conductivité électrique est utilisée dans plusieurs industries pour répondre à des besoins spécifiques.

• Industrie électronique : les conducteurs sont utilisés pour fabriquer des circuits imprimés et des câbles électriques.
• Industrie chimique : la conductivité des solutions est un indicateur clé dans les processus chimiques, notamment dans l’osmose inverse, souvent utilisée pour la purification de l’eau.
• Énergie et transport : les matériaux conducteurs permettent de concevoir des lignes de transmission électriques plus performantes.
• Construction et ingénierie : la conductivité thermique et électrique des matériaux est prise en compte dans les bâtiments pour maximiser l’efficacité énergétique.

Facteurs influençant la conductivité électrique

Plusieurs facteurs influencent la conductivité électrique d’un matériau.

• Température : la conductivité des métaux diminue avec l’augmentation de la température, tandis que celle des semi-conducteurs augmente.
• Pureté du matériau : un matériau impur ou contenant des défauts structuraux aura une conductivité plus faible.
• État physique : la conductivité peut varier selon que le matériau est sous forme solide, liquide ou gazeuse.
• Structure atomique : la disposition des atomes dans un matériau détermine la facilité avec laquelle les électrons peuvent se déplacer.

Comparaison entre différents matériaux

La conductivité électrique varie énormément d'un matériau à l'autre.

Exemples :
Les caractéristiques de conductivité électrique par la masse spécifique, la conductivité électrique et le prix) :

Le cuivre : 

• Masse spécifique (103 kg/m3) : 8,96
• Conductivité électrique (106 S.m-1) : 59,6
• Cours LME au 19/05/2020 (en dollars US par tonne) : 5 314

L’aluminium : 

• Masse spécifique (103 kg/m3) : 2,70
• Conductivité électrique (106 S.m-1) : 37,7
• Cours LME au 19/05/2020 (en dollars US par tonne) : 1 464

Issu du Commissariat général au développement durable du plan de programmation des ressources minérales de la transition bas carbone du ministère de la transition écologique.

Concepts avancés : conductivité dans les liquides et la chimie

La conductivité électrique des liquides est influencée par la présence d’ions dissous dans la solution. Ce phénomène est au cœur des processus tels que l’osmose, où l’on observe le passage de molécules d’un milieu moins concentré (milieu hypotonique) vers un milieu plus concentré à travers une membrane semi-perméable.

• Osmose définition : Processus par lequel l'eau ou un solvant traverse une membrane semi-perméable pour équilibrer les concentrations de solutés.
• Central osmotique : Technologie basée sur l'osmose utilisée dans certaines centrales pour la production d'énergie.
• Pression osmotique : Force qui pousse le solvant à travers la membrane.
• Schéma osmose : Représentation visuelle de ce processus essentiel.

La conductivité électrique est un élément essentiel dans de nombreux domaines, des systèmes énergétiques aux industries de pointe. Comprendre les principes de base, les méthodes de mesure et les applications permet de mieux appréhender les enjeux liés à la performance des matériaux. L'optimisation de la conductivité, en particulier dans les matériaux utilisés pour la production et la transmission d’énergie, est une voie clé pour améliorer l’efficacité énergétique et répondre aux défis de la transition énergétique.