La conductivité électrique

publié le 02/01/2021 | mis à jour le 20/10/2022 | par Laurie Fouché

Qu’est-ce que la conductivité électrique ?

Très simplement, la conductivité électrique explique dans quelle mesure une matière conduit le courant électrique. Intuitivement, nous savons que les fils de cuivre qui composent les réseaux électriques de nos maisons conduisent bien le courant, et que la gaine de plastique qui entoure ces fils est utilisée comme isolant et ne conduit pas le courant.

Cette différence d’utilisation est due à leurs conductivités respectives : celle du cuivre est très élevée alors que celle du plastique utilisé est très basse. Autrement dit, plus la conductivité d’une substance sera élevée, plus le courant la traversera facilement et plus la conductivité est basse, plus l’électricité aura du mal à passer, cette matière a donc un fort pouvoir isolant.

Comment mesurer la conductivité électrique d’un matériau ?

Il est plutôt facile d’obtenir une mesure précise de conductivité d’un matériau en laboratoire : il suffit d’utiliser un conductimètre, parfois appelé conductivimètre. Pour les matériaux achetés dans le commerce pour des travaux électriques, cette donnée est indiquée sur l’emballage de l’élément acheté. Toutefois, pour comprendre parfaitement ce que signifie la conductivité électrique, il faut revenir sur quelques notions de physique très proches.

Résistance

La résistance électrique est l’une des premières notions abordées en physique : il s’agit de l’aptitude d’un matériau à s’opposer au passage d’un courant électrique. Elle est par exemple responsable des pertes lors du transport d’électricité sur de longues distances.

La résistance est souvent désignée par la lettre R et elle se mesure en ohm. Cette grandeur physique suit la fameuse loi d’Ohm qui fait le lien entre résistance (R) en ohm, tension (U) en volt et intensité (I) en ampère :

U = R x I

Si on isole la résistance R, on obtient :

R = U/I

Il est important de noter que la résistance est calculée pour un composé d’une certaine taille et forme ; ces deux données influent sur le résultat. Par exemple, si l’on prend deux fils parfaitement identiques excepté pour leur longueur, il y aura une différence de résistance entre les deux : le plus long aura une résistance plus élevée. De même, plus le diamètre du fil sera petit, plus la résistance sera élevée ; dans ce cas-là, le courant dans le fil peut se comparer à une foule dans un couloir, plus il est large, plus le passage sera aisé.

Conductance

La conductance électrique est l’inverse de la résistance, elle est généralement représentée par G et se mesure en siemens :

G = 1/R

Ou encore, si l’on souhaite l’exprimer en fonction de la tension et l’intensité :

G = I/U

Tout comme la résistance, la conductance varie fortement selon la taille du composant pour une même matière. Conductance et résistance peuvent aussi se mesurer pour une solution (liquide dans lequel des ions ou molécules sont dissous) ; dans ce cas-là, ces deux grandeurs varient selon la taille des électrodes plongées dans le liquide et l’espace entre ces électrodes.

Conductivité

La conductivité est une qualité physique propre au matériau calculée à partir de la conductance, mais qui ne varie pas en fonction de la dimension ou forme du composant en question. Cela permet de comparer des matériaux en s’affranchissant des notions de taille.

La conductivité est généralement représentée par sigma (σ) et son unité de mesure est le siemens par mètre. Dans un conducteur parfait, σ tend vers l’infini, c’est-à-dire que ce matériau n’oppose aucune résistance (ou presque) au passage du courant.

La formule de la conductivité électrique est :

σ = G/k

Où G est la conductance en siemens et k s’exprime en mètre et correspond à la constante de cellule. Cette dernière reprend les informations concernant la taille du matériau utilisé pour faire la mesure de conductance ou, dans le cas d’une solution, la surface des électrodes et la distance les séparant.

Pour comprendre cette formule, il est possible de la comparer à celle de la vitesse, qui est plus intuitive. Pour obtenir un résultat en kilomètres par heure, on divise une distance par le temps nécessaire pour la parcourir. On peut ainsi comparer les vitesses de différents modèles de voiture sans leur faire parcourir le même circuit.

Pour la conductivité, on divise la conductance en siemens par le « nombre de mètres » parcourus lors de la mesure de cette conductance (constante de cellule k). C’est ainsi qu’on peut comparer le pouvoir conducteur des substances entre elles le plus facilement.

Résistivité

La résistivité électrique est l’inverse de la conductivité, elle est représentée par la lettre rhô (ρ) et se mesure en ohms-mètres. Elle peut être calculée directement à partir de la résistance en utilisant la constante de cellule k mentionnée plus haut. Elle permet de comparer le pouvoir isolant de différents matériaux sans que les dimensions de l’échantillon utilisé influencent le résultat.

Quels facteurs influencent la conductivité électrique ?

Nous avons vu que la conductivité, contrairement à la conductance, ne varie pas selon le format de la substance étudiée. Toutefois, d’autres paramètres la font varier, notamment :

• la température. Ce facteur influence grandement la conductivité, et de manière différente selon les cas. En effet, pour une solution, l’augmentation de la température augmente également la conductivité du fait que les ions ou molécules en solution sont plus libres de se déplacer, et donc de participer au passage du courant. En revanche, le développement de supraconducteurs a prouvé que pour certains matériaux, la baisse très forte de température peut augmenter drastiquement la conductivité ;
• la pureté de la substance utilisée, particulièrement pour les métaux. Ainsi, même si l’argent pur est plus conducteur que l’or, il est moins utilisé en électricité que ce dernier car il se ternit rapidement et cette oxydation gêne le flux d’électrons fait donc baisser sa conductivité ;
• les champs électromagnétiques présents. Lorsque le courant traverse un conducteur, celui-ci génère son propre champ électromagnétique et à l’inverse, un champ électromagnétique appliqué à un matériau peut modifier sa capacité à laisser passer le courant ;
• la fréquence du courant. Le courant alternatif s’est imposé au fil des années comme idéal pour transporter et distribuer l’électricité. Celui-ci est défini par une fréquence en hertz (par exemple 50 Hz en France). Lorsque cette fréquence est trop élevée, le courant ne circule plus qu’en surface du conducteur dont la conductivité est alors très affaiblie. Cela s’appelle l’effet de peau, ou effet pelliculaire.

Quelle est la conductivité des métaux les plus courants ?

Lorsque l’on aborde la notion de conductivité électrique, il s’agit souvent de comparer les propriétés des métaux pour faire le bon choix dans une expérience ou lors du développement d’une nouvelle technologie. Nous avons regroupé ci-dessous les valeurs de conductivité et résistivité des métaux les plus courants. Attention toutefois, ces valeurs sont correctes à 20 °C uniquement, et pour des matériaux d’une grande pureté. Une variation de ces facteurs environnementaux modifie forcément les résultats obtenus.

Ce tableau donne plusieurs informations : le métal qui conduit le mieux l’électricité est l’argent pur, il est suivi de près par le cuivre, puis l’or arrive en troisième position. Les métaux suivant sur la liste des plus conducteurs sont l’aluminium, le tungstène, le zinc puis le laiton, le nickel et le fer.

La résistivité étant l’inverse de la conductivité électrique, les métaux les plus conducteurs sont aussi ceux qui ont la plus faible résistivité. Notons aussi que tous les matériaux détaillés ici ont une résistivité considérée comme faible. En effet, une puissance de 10 négative indique que la valeur est inférieure à 1.

Les matières non métalliques ont-elles une conductivité ?

Les notions de conductivité et résistivité ne sont pas réservées aux métaux. En effet, tous les solides, liquides, et même les gaz ont une conductance qui peut être mesurée. Nous avons regroupé ci-dessous des ordres de grandeur de conductivité électrique et de résistivité de différentes substances, dont de très bons isolants électriques.

Dans ce tableau, on constate que l’eau de mer est conductrice, mais bien plus faiblement que les métaux présentés plus haut. Les autres substances présentées sont considérées comme isolantes : conductivité inférieure à 1 (puissance de 10 négative) et résistivité élevée.

Les meilleurs isolants sont le téflon et le polystyrène (de la famille des plastiques) puis le quartz et le verre (des minéraux). L’air et le bois sec sont aussi de bons isolants électriques.

Quels domaines d’application pour ces notions physiques ?

Dès le 19^e siècle, les scientifiques constatent que pour certains métaux bien précis, l’augmentation de la température augmente la conductivité. Une nouvelle catégorie est née : les semi-conducteurs, base de l’électronique moderne. Le plus utilisé est le silicium, notamment pour la création de diodes, LED, transistors, cellules photovoltaïques et capteurs divers.

Au début du 20^e siècle, c’est la supraconductivité qui est mise en évidence. Des scientifiques ont constaté qu’en s’approchant du zéro absolu (0 kelvin, ou -273,15 degrés Celsius), certains métaux perdent presque toute résistivité au courant ; autrement dit, leur conductivité σ tend vers l’infini. Cela est vrai notamment pour le mercure, le plomb ou l’aluminium. De plus, ces matériaux possèdent à très basse température la propriété d’expulser totalement le champ magnétique qui les entoure, ce qui peut produire une lévitation magnétique spectaculaire. Ces découvertes ont par exemple permis le développement :

• de l’Imagerie par résonance magnétique (IRM) ;
• des accélérateurs de particules comme celui du CERN en Suisse qui est utilisé pour l’exploration de la matière ;
• des technologies explorant la possibilité d’une production électrique par fusion, et non par fission comme c’est actuellement le cas dans les réacteurs nucléaires ;
• de câbles supraconducteurs qui rendent possible le transport de grandes quantités d’électricité en limitant fortement les pertes ;
• du stockage de l’électricité dans des bobines de fil supraconducteur. Une fois refermées sur elles-mêmes, elles conservent le courant indéfiniment ;
• du limiteur de courant de défaut, un disjoncteur permanent qui se réenclenche automatiquement ;
• des moteurs supraconducteurs, plus petits et plus légers que les moteurs classiques, ils sont tout particulièrement adaptés aux systèmes embarqués ;
• des générateurs à supraconducteurs, eux aussi moins lourds que leurs prédécesseurs, et qui devraient s’imposer dans la production d’électricité éolienne ;
• de la sustentation magnétique pour les trains, déjà utilisée au Japon.

L’étude de la conductivité électrique et de ses différentes applications a déjà permis de nombreuses avancées scientifiques. Encore aujourd’hui, c’est un domaine passionnant, et qui permettra peut-être l’apparition des nouvelles technologies de demain.

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