Conductivité électrique

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La conductivité électrique caractérise l'aptitude d'un matériau ou d'une solution à laisser les charges électriques se déplacer librement et donc permettre le passage d'un courant électrique.

Principe physique

La conductivité électrique est l'inverse de la résistivité. La conductivité d'un matériau est égale à la conductance d'un conducteur cylindrique (constitué de ce matériau) divisée par sa section et multipliée par sa longueur.

Parmi les meilleurs conducteurs, il y a :

• les métaux (comme l'argent, le cuivre, l'or ou l'aluminium) pour lesquels les porteurs de charge sont les « électrons libres » ;
• les solutions d'électrolytes (ayant des ions en solution). Pour ces dernières, la valeur de la conductivité dépend de la nature des ions présents dans la solution et de leurs concentrations. La conductivité d'une solution peut être mesurée à l'aide d'un conductimètre.

Certains matériaux, comme les semi-conducteurs, ont une conductivité qui dépend d'autres conditions physiques, comme la température ou l'exposition à la lumière, etc. Ces propriétés sont de plus en plus mises à profit pour réaliser des capteurs.

Quand la conductivité dépend de la direction, on l'exprime sous la forme d'une grandeur vectorielle (CEI).

Unité

Dans le SI la conductivité est mesurée en S.m^-1 (siemens par mètre), mais le plus souvent la mesure avec un conductimètre donne le résultat en mS.cm^-1 (millisiemens par centimètre).

Utilisation courante

Largement utilisée en chimie, son unité dans le Système international d'unités (SI) est le siemens par mètre (1 S/m = A²·s³·m^-3·kg^-1). C'est le rapport de la densité de courant par l'amplitude du champ électrique. C'est l'inverse de celle de la résistivité. Le symbole généralement utilisé pour désigner la conductivité est la lettre grecque sigma : σ, qui varie selon les matériaux de 10⁸ S·m^-1 à 10^-22 S·m^-1.

Autres utilisations de la conductivité

Dans le domaine de l'électrostatique et de la magnétostatique, on utilise plus généralement la conductivité électrique $\gamma \,$$\gamma \,$ exprimée en (Ω.m)^-1. L'unité de σ est homogène à celle de $\gamma$$\gamma$ dans la mesure où le siemens est homogène à un Ω^-1.

La conductivité d'une solution aqueuse permet d'estimer sa charge en ions, elle s'exprime généralement en µS/cm.

Expression

La loi de Nernst-Einstein permet de calculer la conductivité en fonction d'autres paramètres fondamentaux du matériau :

$\sigma ={\frac {DZ^{2}e^{2}C}{k_{\rm {B}}T}}$$\sigma = \frac{DZ^2e^2C}{k_{\rm B}T}$

où

• D est le coefficient de diffusion de l'espèce chargée considérée ;
• Z est le nombre de charges portées par l'espèce ;
• e est la charge élémentaire, soit 1,602×10^-19 C ;
• C est la concentration molaire de l'espèce ;
• k_B est la constante de Boltzmann, soit environ 1,3806×10^-23 J·K^-1 ;
• T est la température absolue, exprimée en kelvins.

En chimie, la loi de Kohlrausch permet de déterminer la conductivité d'un ion i en fonction de sa concentration, lorsqu'il est faiblement concentré :

$\sigma _{i}=z_{i}\cdot \lambda _{i}\cdot C_{i},$$\sigma_i = z_i \cdot \lambda_i \cdot C_i ,$

avec $z_{i}$$z_i$ le nombre de charges de l'ion. Par exemple, $z_{i}=2$$z_i = 2$, pour l'ion sulfate ${\mbox{SO}}_{4}^{2-}$$\mbox{SO}^{2-}_4$).

La conductivité molaire ionique $\lambda _{i}$$\lambda _{i}$ est une grandeur caractéristique d'un ion, c'est l'apport de l'ion à la conductivité électrique de la solution. Elle dépend notamment de la concentration, de la température, de la charge et de la taille de l'ion. Pour une solution faiblement concentrée, les conductivités des différents ions en solution s'additionnent :

$\sigma =\sum _{i}{\sigma _{i}}$$\sigma = \sum_i {\sigma_i}$, et la conductivité prend alors la forme générale suivante :

$\sigma =\sum _{i}{z_{i}\cdot \lambda _{i}\cdot C_{i}}$$\sigma = \sum_i {z_i \cdot \lambda_i \cdot C_i}$

Voir aussi

Bibliographie

• Commission électrotechnique internationale, « Électromagnétisme - Propriétés électromagnétiques des matériaux », dans CEI 60050 - Vocabulaire électrotechnique international (lire en ligne), p. 121-12-03 « conductivité »
• Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, Bruxelles, De Boeck, 2013, p. 133 « conductivité »

Articles connexes

• Conductivité par variable range hopping
• Résistance électrique
• Électronique
• Électricité
• Conduction électrique dans les oxydes cristallins
• Semi-conducteur
• Loi de Nernst-Einstein
• Loi d'Ohm
• Supraconductivité
• Conductimétrie