Terminale S 2015-2016
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Terminale S 2015-2016

Les propriétés des matériaux

Il existe de nombreux matériaux de natures différentes et ayant des propriétés variées. Certains sont complètement naturels, d'autres complètement synthétiques. Tous ces matériaux font partie de notre quotidien et comprendre leurs structures et leurs propriétés permet de développer de nouvelles technologies aux propriétés remarquables.

I

Les propriétés de conduction des matériaux

A

La structure électronique d'un matériau

Les matériaux sont constitués d'un très grand nombre d'atomes.

-

Un atome possède plusieurs niveaux d'énergie. Dans un matériau, ces nombreux niveaux se superposent pour former des bandes d'énergie.

-

La répartition des électrons dans ces bandes d'énergie définit la propriété de conduction électrique du matériau.

B

Les matériaux conducteurs

Conducteur électrique

Un conducteur électrique est un matériau qui permet le passage d'un courant électrique.

Le cuivre est un conducteur électrique utilisé pour transporter le courant électrique.

-

Les électrons libres assurent le passage d'un courant électrique lorsque le matériau est soumis à une tension électrique.

Ce courant électrique se fait malgré une résistance du matériau à la circulation des électrons.

Conducteur ohmique

Un conducteur ohmique est un conducteur électrique pour lequel la relation entre la tension U appliquée et le courant électrique I résultant est linéaire :

U=R×I

Le coefficient de proportionnalitéR est la résistance ohmique du matériau et s'exprime en ohm, de symbole Ω.

Un métal tel que le cuivre est un conducteur ohmique qui vérifie la relation U=R×I.

Effet Joule

L'effet Joule est le phénomène de dissipation de l'énergie électrique sous forme de chaleur due à la résistance ohmique du matériau.

Un chauffage électrique chauffe une pièce par effet Joule.

C

Les matériaux isolants

Isolant électrique

Un isolant électrique est un matériau qui ne permet pas le passage d'un courant électrique.

Le verre est un isolant électrique.

-

Les matériaux isolants ne possèdent pas d'électrons libres susceptibles de se déplacer et de créer un courant électrique.

D

Les matériaux semi-conducteurs

Semi-conducteurs

Les semi-conducteurs sont des matériaux dont la structure et donc les propriétés de conduction est intermédiaire entre les conducteurs et les isolants.

L'arséniure de Gallium (AsGa) est un exemple de matériau semi-conducteur très utilisé en électronique.

-

La circulation du courant électrique est due à la circulation des électrons libres et des trous.

E

La supraconductivité

À des températures de quelques kelvins (−270°C environ), certains matériaux deviennent supraconducteurs.

Supraconductivité

La supraconductivité est un phénomène physique au cours duquel :

  • Un matériau rejette vers l'extérieur les champs magnétiques autour de lui.
  • La circulation du courant électrique se fait avec une absence totale de résistance.

La résistance électrique du mercure devient nulle pour une température inférieure à 4,2 K (soit −268,95°C).

Les supraconducteurs permettraient, entre autres, de pouvoir stocker de l'énergie électrique.
Un des objectifs de la recherche scientifique est d'obtenir des supraconducteurs à température ambiante.

II

Quelques applications des semi-conducteurs

A

Les diodes électroluminescentes

Diode électroluminescente (DEL)

Une DEL est un semi-conducteur qui émet de la lumière à une fréquence donnée lorsqu'elle est traversée par un courant électrique.

Ce sont des DEL qui émettent le signal infrarouge des télécommandes pour les télévisions.

-

Les DEL sont très utilisées car la perte d'énergie par effet Joule est très faible. Elles constituent donc un moyen d'éclairage "basse consommation". Leur conception est toutefois relativement chère et fait intervenir des composants toxiques donc difficilement recyclables.

B

Les cellules photovoltaïques

Cellule photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque est un semi-conducteur qui produit un courant électrique lorsqu'il est soumis à une radiation lumineuse d'une certaine fréquence.

Les panneaux solaires sont recouverts de cellules photovoltaïques afin de produire un courant électrique grâce à la lumière du Soleil.

Les cellules photovoltaïques fonctionnent sur le principe inverse des DEL :

-

L'énergie lumineuse solaire étant une énergie renouvelable, de nombreuses études sont menées afin d'améliorer l'efficacité de ces cellules.

III

Les cristaux liquides

A

La structure des cristaux liquides

Cristaux liquides

Les cristaux liquides sont des matériaux organiques dont l'état physique est entre l'état solide cristallin et l'état liquide.
Ils combinent certaines propriétés propres à chacun de ces deux états.
L'état de ces cristaux, appelé mésophase, dépend de la température.

Les cristaux liquides possèdent une structure en deux parties :

-
B

Les différentes catégories de mésophases

1

La phase nématique

La phase nématique est la mésophase la plus proche de l'état liquide. Les molécules ont globalement la même orientation mais peuvent glisser les unes sur les autres comme les molécules d'un liquide :

-
2

La phase cholestérique

La phase cholestérique est une mésophase plus proche du solide que la phase nématique. Les molécules s'arrangent de manière hélicoïdale :

-
3

La phase smectique

La phase smectique est la mésophase la plus proche de l'état solide. Les molécules ont un ordre d'orientation mais aussi de position :

-
C

Les propriétés des cristaux liquides

De par leur structure, les cristaux liquides peuvent changer de forme lorsqu'on leur applique un champ électrique. Ce changement modifie alors leurs propriétés, notamment optiques.

De ce phénomène découlent plusieurs applications comme :

  • L'affichage à cristaux liquides des montres
  • Les écrans LCD
  • Les détecteurs de température et de pression
IV

Les propriétés de surface des matériaux

A

Les tensio-actifs

Tensio-actifs

Les composés tensio-actifs sont des composés qui modifient la tension de surface entre deux surfaces.

La tension de surface est l'énergie nécessaire pour étirer une interface d'un mètre carré.

Les composés tensio-actifs ont une structure particulière appelée structure amphiphile :

-

Ces composés sont responsables de :

  • L'émulsion
  • La formation et la stabilité des gouttes
  • L'étalement des liquides sur des surfaces solides
B

L'émulsion et les mousses

1

Le phénomène d'émulsion

Émulsion

L'émulsion est un mélange entre deux liquides non-miscibles en présence d'un tensio-actif dans lequel un des liquides se disperse sous forme de gouttes dans le second.

L'eau et l'huile forment une émulsion car des gouttes d'huile se forment dans de l'eau et inversement.

Une émulsion est due à la structure amphiphile des molécules d'un des deux liquides :

-
2

Les mousses

Mousse

Une mousse est similaire à une émulsion. Il s'agit d'un liquide contenant un tensio-actif dans lequel est dispersé un gaz séparé du liquide par un film.

Les mousses produites lors de l'utilisation d'un savon sont constituées de bulles d'air dispersées dans un liquide.

-
C

Le phénomène d'adhésion

Le phénomène d'adhésion repose sur deux types d'interactions :

  • L'interaction chimique dans le cas des colles
  • L'interaction mécanique dans le cas des adhésifs
1

Les colles

Le composé chimique composant la colle va adhérer à une surface grâce à la formation de liaisons entre le matériau et la colle ou grâce à la diffusion de polymères au sein du matériau :

-
2

Les adhésifs

L'adhésif va adhérer aux aspérités du matériau et ainsi créer des points d'ancrage mécanique :

-
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