comment une resistance fait pour s'opposer au passage du courant?

[cosmoff]

bonjour,

voila je me demande pourquoi dans un fil de cuivre les electrons sont freinés ? est ce du car dans la resistance il faut plus d'energie pour que l'electron circule?

merci d'avance
-----

[invitef449a3e9]

Je dirais intuitivement mais à 99% faux (sans ca on aurai la supraconductivité en acquis) qu'en effet il faille donner un peu d’énergie à l’électron pour basculer d'un atome a l'autre mais que cet ajout d'energie est aussi transmis au voisinage électronique, ce qui du point de vue du courant électrique suppose une perte d’énergie

[LPFR]

Bonjour.
Dans un solide, les atomes et les électrons libres sont soumis à l’agitation thermique. Les atomes oscillent autour de leurs positions moyennes et les électrons passent leur temps à rebondir d’atome en atome.
Ces chocs sont élastiques. Mais ils équilibrent l’énergie des atomes et électrons. Celle-ci est égale à ½kT par degré de liberté.

Quand on applique un champ électrique, les électrons sont accélérées entre deux chocs avec les atomes et leur énergie est légèrement modifiée. En moyenne elle augmente (ils gagnent plus quand leur vitesse absolue augmente que ce qu’ils perdent quand elle diminue). Mais cette augmentation est cédée aux atomes dans les chocs qui s’en suivent. L’énergie des atomes augmente, ce qui correspond à une augmentation de la température. C’est l’effet Joule.

Mais la vitesse moyenne (de dérive) des électrons, qui est nulle en absence de champ électrique, devient non nulle. Donc, pour faire avancer les électrons, il faut un champ électrique (loi d’Ohm) et de l’énergie (effet Joule).
Au revoir.

[invitef449a3e9]

Comment la temperature du conducteur influence t-il ce phenomene de cession d'energie? En general plus la temperature baisse plus la conductivite augmente...et avec les explications données on dirait qu'il manque un bout? non? A basse temperature les electrons sont plus proches et moins energetique, on pourait penser qu'il cedent autant sinon mieux leur energie et pourtant c'est le contraire A froid, moins de degre de liberté donc moins d'energie à repartir?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Salut,

Calculons les orbitales des électrons (leur fonction d'onde) autour d'un atome. Cela donne des forme plus ou moins tarabiscotées et de plus en plus grande au fur et à mesure que le niveau a plus d'énergie. Mais ça reste toujours une zone localisée autour du noyau.
Cela change lorsqu'on a un réseau d'atomes. A ce moment là, les niveaux les plus "bas" restent localisés autour du noyau et les plus "haut" remplissent tout le matériau.
Lorsqu'on électron est dans une de ces "orbitales" emplissant tout le matériau, il peut se déplacer librement.
On parle d'états liés (aux noyaux) et d'états de conduction.
De plus, le calcul (et l'expérience) montre que ces états dans un réseau se répartissent en bandes. On a un grand nombre d'états d'énergie très proches dans la partie "états liés" et de même dans la partie "états de conduction". Et entre les deux on a un gap d'énergie. On parle aussi de bande de valence et de bande de conduction.

Que se passe-t-il à basse température (en fait, dans la majorité des cas, à température ambiante, on est déjà dans cette situation).
Tous les électrons ou presque se placent dans leur état de base, sous le niveau dit de Fermi.
Si le niveau de Fermi est proche de la bande de conduction, des électrons y passeront très facilement en leur communiquant un tout petit peu d'énergie (énergie qu'ils rendent en retournant dans leur état lié).
C'est là la différence entre un isolant et un conducteur. Dans un isolant, le saut énergétique à faire est très grand et extrêmement peu d'électrons se situent dans la bande de conduction.

Revenons à l'explication de LPFR. Pratiquement tous les électrons sont déjà sous le niveau de Fermi. L'agitation thermique en fait passer quelques uns dans le niveau de conduction. Mais faire baisser la température n'est pas une gène car il faut de toute façon communiquer très peu d'énergie pour les faire passer dans la zone de conduction, que ce soit avec le peu d'agitation thermique ou avec le champ électrique appliqué. Et là, miracle, une autoroute se trouve devant eux car l'agitation thermique est très faible à basse température. D'où peu de pertes (l'explication de LPFR est totalement correcte).

La situation est très différente pour un semi-conducteur. La bande interdite, le gap, est intermédiaire entre un conducteur et un isolant. Là, la bande est trop grande (sauf dopage) pour qu'un champ électrique communique assez d'énergie aux électrons pour passer dans la bande de conduction. Mais l'énergie thermique en fait quand même passer un certain nombre et il y a une légère conduction.
Maintenant si on baisse la température, cette fois, oui, moins d'électrons vont être dans la bande de conduction et la conduction devient de plus en plus difficile.

C'est pourquoi :
- les semi-conducteurs sont si sensibles à la température
- les semi-conducteurs voient leur résistance augmenter quand la température baisse, et le contraire pour les conducteurs

https://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A9orie_des_bandes
(et voir les liens et les articles en anglais.... plus complets comme d'habitude)

[invitef449a3e9]

Merci c'est encore plus clair.

C'est pourquoi :
- les semi-conducteurs sont si sensibles à la température
- les semi-conducteurs voient leur résistance augmenter quand la température baisse, et le contraire pour les conducteurs

Si c'est vrai pour les diodes et les transistors, les semi type transistor mosfet ont le comportement inverse et c'est plutot tres arrangeant niveau gestion thermique lorsqu'on a 2 semi en parallèle. Le premier qui chauffe voit sa conduction augmenter et le courant devie sur le deuxieme.

[Deedee81]

Si c'est vrai pour les diodes et les transistors, les semi type transistor mosfet ont le comportement inverse et c'est plutot tres arrangeant niveau gestion thermique lorsqu'on a 2 semi en parallèle. Le premier qui chauffe voit sa conduction augmenter et le courant devie sur le deuxieme.

Je suppose que tu voulais dire "voir sa résistance augmenter".

Oui, c'est différent car dans un MOSFET, via le dopage et le champ de la grille, il se crée un canal conducteur et donc....
A noter d'ailleurs que j'ai précisé plusieurs fois "sans dopage" car avec le dopage les semi-conducteurs deviennent généralement.... conducteur !!!!! Mais la situation est aussi plus compliquée que dans les simples conducteurs et semi-conducteurs.
De plus, les effets peuvent dépendre de la direction du courant et de la structure cristalline.
Ca devient vite très complexe.

[invitef449a3e9]

Exact ma langue a fourché!

Ca devient vite très complexe.

C'est la senssation que j'ai eu en essayant de lire certains ouvrages sur le sujet d'ailleurs j'ai finis par accepter d'etre un simple utilisateur - juste lire la datasheet...mais avec vos explications c'est intéressant ca permet de recoller les morceaux entre la théorie pas toujours bien acquises et l’expérimentation

[LPFR]

Bonjour Deedee81.
Une petite observation à propos des métaux. Le niveau de Fermi se trouve dans la bande de conduction (*). Et, comme il y a des niveaux libres à foison, n’importe quel électron proche du niveau de Fermi peut, avec un apport minime d’énergie sauter à un niveau supérieur et participer à la conduction.
Et ceci se passe à très basses températures (mais au dessus de la supraconductivité).

@ RevaMD : Je veux aussi signaler à RevaMD que l’explication que j’ai donnée à Cosmoff est « grand public » et ne prétend expliquer certaines particularités de la conduction comme l’influence de la température ou celle des défauts dans le réseau cristallin.
Pour cela il faut étudier la conduction sérieusement. Je recommande le Kittel.
Cordialement,

(*) Pour l’anecdote, quand le niveau de Fermi se trouve près du haut de la bande de conduction, celle-ci se fait par de « trous » (ceux des semi-conducteurs). Deux exemples chez les métaux ordinaires : le cadmium et le tungstène. Je m’amuse à imaginer le merdier que ça aurait été si Hall avait fait sa manip avec un de ces métaux.

[Deedee81]

Bonjour Deedee81.
Une petite observation à propos des métaux. Le niveau de Fermi se trouve dans la bande de conduction (*)

Ah oui, exact. C'est ancien dans ma mémoire et j'aurais dû vérifier.

Merci,

Bonjour Deedee81.
(*) Pour l’anecdote, quand le niveau de Fermi se trouve près du haut de la bande de conduction, celle-ci se fait par de « trous » (ceux des semi-conducteurs). Deux exemples chez les métaux ordinaires : le cadmium et le tungstène. Je m’amuse à imaginer le merdier que ça aurait été si Hall avait fait sa manip avec un de ces métaux.

Ah, ça par contre je ne savais pas. Oui, j'imagine la surprise !

[LPFR]

... Oui, j'imagine la surprise !

Re.
Ça aurait été pire qu’une surprise. Car c’est à partir de cette manip (1879) qu’on avait conclut que les charges mobiles dans les métaux étaient négatives. Avec le cadmium et le tungstène on aurait conclut que les charges mobiles étaient positives… Même Bohr aurait été gêné ?
A+