Genese de l`electronique
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Version : Mar 2011 Tronc commun Niveau : Prof Taxonomie : 2 Lycée Emilie de Breteuil Génèse de l’électronique ET234-1 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. Neutron 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.) STI2D:\TRONCOM\234CHAINE_ACQUIS\GénèseElectron .doc Page 1/4 Version : Mar 2011 Tronc commun Niveau : Prof Taxonomie : 2 Lycée Emilie de Breteuil Génèse de l’électronique ET234-1 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 électronsvolts (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 luimême 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. STI2D:\TRONCOM\234CHAINE_ACQUIS\GénèseElectron .doc Page 2/4 Version : Mar 2011 Tronc commun Niveau : Prof Taxonomie : 2 Lycée Emilie de Breteuil Génèse de l’électronique ET234-1 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. ère 1 : un électron libre « étranger » arrive à la périphérie de l’atome ème ème 2 : Il se place sur l’orbite et chasse l’électron excédentaire 4 : Il arrive sur l’orbite voisine et chasse l’électron excédentaire ème 3 : L’électron chassé se dirige sur l’orbite de l’atome voisin ème 5 : Les 2 atomes retrouvent leurs 4 électrons sur la périphérie LE COURANT ELECTRIQUE REPRESENTE LE MOUVEMENT DES ELECTRONS LIBRES DANS LA BANDE DE CONDUCTION. STI2D:\TRONCOM\234CHAINE_ACQUIS\GénèseElectron .doc Page 3/4 Version : Mar 2011 Tronc commun Niveau : Prof Taxonomie : 2 Lycée Emilie de Breteuil Génèse de l’électronique ET234-1 Résumons la situation : les électrons libres se déplacent et ils sont chargés électriquement. A l’intérieur du conducteur apparaissent des lignes de champ. dx 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 Fe3O4. 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. STI2D:\TRONCOM\234CHAINE_ACQUIS\GénèseElectron .doc Page 4/4
