Genese de l`electronique

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Lycée Emilie de Breteuil Génèse de l’électronique   ET234-1
Version : Mar 2011
Tronc commun
Niveau : Prof
Taxonomie : 2
I) L’ELECTRON :
1) Modèle de l’atome.
En sciences physiques, un modèle est une représentation de la réalité. Ce n'est donc
pas la réalité. Cette représentation est élaborée progressivement à partir des
observations.
Un modèle doit posséder deux vertus:
• Permettre d'expliquer les propriétés observées,
• Permettre de prévoir d'autres propriétés non encore observées.
Un atome peut être
modélisé par une structure
présentant un noyau autour
duquel existe une zone
sphérique centrée sur le
noyau et dans laquelle il y a
une certaine probabilité de
trouver les électrons. Cette
partie de l'atome est appelée
nuage électronique.
2) La charge électrique.
Les électrons ont une charge électrique négative.
Le proton a une charge positive, tandis que le
neutron ne possède pas de charge électrique.
L’atome de silicium est électriquement neutre. Le
noyau de l’atome de Si est composé
de 14 protons et 14 neutrons.
Avec 14 électrons, sa charge électrique est donc nulle. Un atome est
électriquement neutre si le nombre d’électrons est égal au nombre de
protons.
Un atome qui a plus (ou moins) d’électrons que de protons est un « ion » chargé
négativement (ou positivement.)
Neutron

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Niveau : Prof
Taxonomie : 2
3) L’énergie des électrons.
Tout électron est lié au noyau avec une certaine énergie de liaison (différente pour
chaque électron) due à l’attraction entre la charge positive des protons et la charge
négative des électrons. Sous l’effet de cette énergie, les électrons "gravitent". Cela
signifie qu’ils sont en mouvement permanent autour du noyau, mais pas n’importe
comment !
Les électrons sont "distribués" autour du noyau selon les lois de la
mécanique quantique :
1/ la manière dont les électrons se distribuent dans l’espace : un électron ne suit pas une
trajectoire unique ; en fait, on peut seulement parler de la probabilité de présence de
l’électron dans une région de l’espace ;
2/ la valeur de l’énergie de liaison de l’électron au noyau : elle ne
peut prendre que certaines valeurs bien déterminées ; elle est
quantifiée. Ainsi chaque orbitale est associée à un niveau d’énergie
de liaison ; c’est aussi la valeur de l’énergie qu’il faut fournir à
l’électron pour le séparer du noyau ; elle est exprimée en électrons-
volts (eV) ;
3/ le nombre d’états possibles pour les électrons de chaque niveau
d’énergie : tenant compte du fait qu’un électron peut tourner sur lui-
même dans un sens ou dans l’autre (c’est la propriété quantique du
spin de l’électron qui a 2 états possibles), le principe d’exclusion de Pauli fait qu’un
même état d’énergie est occupé au plus par deux électrons de spin opposé.
(Le principe d’exclusion de Pauli énonce que des fermions (un type de particules élémentaires
comme les électrons, les protons ou les neutrons) identiques ne peuvent pas être au même endroit au
même moment et avec la même orientation.)
II) DEPLACEMENT DE CHARGES ELECTRIQUES :
1) L’électron libre.
On appelle un électron libre, un électron qui n'est plus lié à un atome. Il y a donc
une circulation d'électrons ou de charges négatives.
La
bande de
conduction,
dans laquelle
se trouvent
les électrons
libres est
située au-delà
de la bande
de valence.

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2) Du conducteur à l’isolant.
ELECTRONS PERIPHERIQUES ou ELECTRONS DE VALENCE.
La couche périphérique d'un atome ne peut pas posséder plus de huit électrons.
Les propriétés électriques dépendent des électrons de la couche périphérique.
Les bons conducteurs ont leur dernière couche incomplète. Ils céderont
facilement leurs électrons.
Les isolants ont leur dernière couche saturée ou presque saturée. Ils
accepteront peu d'électrons.
Certains matériaux ont autant d'électrons à prendre qu'à donner pour avoir leurs
couches saturées. Ces matériaux portent le nom de semi-conducteurs. Ces matériaux
sont des éléments dont la dernière couche est formée de 4 électrons.
3) Courant et tension électrique.
LE COURANT ELECTRIQUE REPRESENTE LE MOUVEMENT DES
ELECTRONS LIBRES DANS LA BANDE DE CONDUCTION.
1
ère
: un électron libre « étranger »
arrive à la périphérie de l’atome 3
èm
e
: L’électron chassé se dirige
sur l’orbite de l’atome voisin
2
èm
e
: Il se place sur l’orbite et
chasse l’électron excédentaire
4
èm
e
: Il arrive sur l’orbite voisine et
chasse l’électron excédentaire 5
èm
e
: Les 2 atomes retrouvent
leurs 4 électrons sur la périphérie

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Résumons la situation : les électrons libres
se déplacent et ils sont chargés électriquement. A
l’intérieur du conducteur apparaissent des lignes
de champ.
Un champ électrique est un champ de force
invisible créé par l'attraction et la répulsion de
charges électriques (la cause du flux électrique) et
se mesure en Volts par mètre (V/m).
LA TENSION ELECTRIQUE REPRESENTE LA
« QUANTITE » DE LIGNES DE CHAMP APPARAISSANT
SUR UNE SECTION DU CIRCUIT.
Un champ électrique est un champ de force invisible créé par l'attraction et la
répulsion de charges électriques et se mesure en Volts par mètre (V/m). L'intensité du
champ diminue à mesure qu'augmente la distance à sa source.
Remarque : Lorsqu'une lampe de chevet est reliée au réseau électrique par la prise, il y a
uniquement un champ électrique. Lorsque la lampe est allumée, il existe à la fois un
champ électrique et un champ magnétique. Le champ magnétique est lié au passage du
courant (c'est-à-dire le mouvement des électrons) à travers le fil électrique.
4) L’électromagnétisme.
Le mouvement hélicoïdal de l’électron entraîne l’apparition d’un champ magnétique.
Lorsque deux électrons occupent une case quantique de l'atome, ils ont chacun un
spin opposé en vertu du principe d'exclusion de Pauli, ce qui annule le moment angulaire
résultant.
Mais les atomes et les ions qui ont un nombre impair d'électrons ont par
conséquent un moment magnétique résultant non nul provenant du spin de leurs
électrons.
Les matériaux ferromagnétiques ont la particularité d'orienter dans la même
direction les moments magnétiques de leurs atomes par interaction d'échange, ce qui
génère un champ magnétique macroscopique : c'est le cas, par exemple, de la magnétite
Fe
3
O
4
.
Les matériaux paramagnétiques révèlent leur magnétisme intrinsèque uniquement
sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, qui aligne le moment magnétique de leurs
atomes tant qu'il est présent.
Le diamagnétisme, quant à lui, est un phénomène assez général dû au moment
angulaire orbital des électrons et non au spin de ces derniers, qui consiste en l'apparition
d'un champ magnétique de direction opposée à tout champ magnétique.
dx