Le transport électronique dans les solides
Le transport des électrons dans les solides a intéressé les chercheurs pendant plus d’un siècle. Drude a élaboré la première théorie des solides à la fin du vingtième siècle (1900).
Celle-ci est considérée comme un grand pavé dans l’édifice de la physique, car elle consiste à décrire un métal comme un gaz parfait d’électrons au sens de la physique statistique où, à l’intérieure d’un métal, les électrons se déplacent librement sans interaction mutuelle. Leur énergie est uniquement de forme cinétique. Ce modèle a conduit à une interprétation intéressante des lois fondamentales telles que la loi d’Ohm qui décrit la conductivité électrique et la chaleur dans les métaux. La contribution de Lorentz (1905), à travers la distribution classique de Maxwell-Boltzmann, n’a pas apporté d’amélioration puisque cette théorie a échouée dans l’explication de la capacité calorifique.
L’effet thermoélectrique
Les phénomènes de transport de chaleur et d’électricité dans les conducteurs donnent lieu à différentes manifestations connues sous le nom d’effets thermoélectriques. Ces effets, n’ont en fait pas d’existence séparée et sont la résultante de deux phénomènes de transport (chaleur et électricité) se produisant simultanément.
La thermoélectricité a été découverte au cours du 19ème siècle grâce aux travaux de Seebeck, Peltier ou encore Thomson/Kelvin. Lorsque l’on soumet un matériau à un gradient de température ou à un potentiel électrostatique, un flux d’électrons est alors provoqué. Le flux d’électrons transporte l’électricité et la chaleur (loi d’ohm et de Fourier). Ces électrons peuvent aussi s’accumuler localement et induire un effet de répulsion électrostatique sur les électrons incidents suivants. Au sein du matériau, s’organisent alors des distributions de charges différentes, qui dans le temps vont s’égaliser. Cette notion est à la base de la thermoélectricité et permet de définir les différents effets thermoélectriques. Lorsque la cause est électrique la conséquence sera thermique (ou réciproquement), il s’agit des phénomènes thermoélectriques.
Trois phénomènes ont été identifiés et portent le nom de leur découvreur : effet Seebeck, effet Peltier et effet Thomson. L’effet Joule, étant un effet irréversible, n’est pas considéré comme un effet thermoélectrique, il est néanmoins présent dans tout conducteur résistif parcouru par un courant, indépendamment des effets thermoélectriques.
Protocole de mesure la résistivité électrique
Lors de la mesure de la résistivité, la température de la cellule doit être uniforme. La saisie des mesures s’effectue à l’aide d’un programme Labview en scrutant les huit canaux qui se trouvent dans la carte scan. Le protocole de mesure est le suivant :
Canal1: Mesure de la tension aux bornes de la résistance étalon. Canal2: Mesure de la tension aux bornes de l’échantillon. Canal3: Mesure de Tréf (température donnée par la jonction chaude). Canal4: Mesure de Tmod (température donnée par la jonction froide). Canal5: Mesure de Text1. Canal6: Mesure du courant de court-circuit (c-c). Canal9: Mesure de Text2.
Pour éliminer les effets thermoélectriques parasites, le programme inverse le courant, entame les mesures et récupère une autre série de mesures analogue à celle déjà faite.
Protocole de mesure du pouvoir thermoélectrique
Après l’acquisition, le calcul et le stockage des mesures de la résistivité à la fin de son cycle, le programme coupe le courant ayant servi à la mesure de celle-ci et relance l’acquisition des mesures au niveau des canaux pour le compte du pouvoir thermoélectrique absolu selon l’enchainement indiqué en dessous:
Canal3: Mesure de Tréf (température donnée par la jonction chaude). Canal4: Mesure de Tmod (température donnée par la jonction froide). Canal5: Mesure de Text1. Canal6: Mesure du courant de court-circuit. Canal7: Mesure de la résistance de platine. Canal8: Mesure de la tension Chromel/Chromel (V13). Canal9: Mesure de la tension Alumel/Alumel (V24). Canal10: Mesure de Text2.
A la fin du cycle de scrutation des canaux utiles, le programme calcule la pente, déduit le pouvoir thermoélectrique absolu, les stocke dans les fichiers créés et en même temps représente la valeur sur le graphe généré par le programme Labview.
Résistivité électrique, aux températures ambiantes, des métaux Etudiés (Cu, Pt, Ni)
Pour surmonter cette difficulté, nous faisons une mesure préliminaire par la technique de quatre pointes sur un échantillon plus large, au voisinage de la température ambiante dans un domaine où celle-ci est variable, entre 17 °C et 46.5 °C. Nous avons utilisé un fil de cuivre de diamètre de 0.5 mm et de longueur de 2500 mm, un fil de platine de longueur de 1100 mm de diamètre de 0.2 mm et un lingot nickel de 130 mm de longueur et 5 mm de diamètre. Des mesures dimensionnelles sont répétées et nous avons utilisé une valeur moyenne d’une vingtaine de mesures. La précision sur le diamètre est égale à 1µm, la précision sur la longueur est de 1 mm pour le cuivre et le platine et de 0.05 mm pour le lingot de nickel (entre les électrodes de potentiels). La précision globale de la résistivité est inférieure à 1%. Une fois la valeur de la résistivité précise est déterminée à la température ambiante, nous faisons des mesures à haute température avec un échantillon plus petit.
Table des matières
Introduction générale
Références bibliographiques
Chapitre I : Aspects théoriques
Etude théorique des propriétés de transport électronique des métaux
I.1 Introduction
I.2 Le transport électronique dans les solides
I.2.1 Théorie électronique quantique (Théorie de Sommerfeld)
I.2.1.1 Le gaz d’électrons libres de Fermi à 3 dimensions
I.2.1.2 Etat quantique et niveaux d’énergie d’un électron
I.2.1.3 Densité d’états, énergie totale
I.2.1.4 Distribution de Fermi-Dirac
I.2.1.5 Variation du potentiel chimique en fonction de la température
I.3 L’effet thermoélectrique
I.3.1 L’effet Peltier
l.3.2 L’effet Thomson
I.3.3 L’effet Seebeck
I.4 Résistivité électrique
I.4.1 Equation de Boltzmann
I.4.2 Conductivité électrique
I.4.3 Temps de relaxation
I.4.4 Elément de matrice du potentiel diffusant
Références bibliographiques
Chapitre II : Principe et techniques expérimentales de mesure de la résistivité et du pouvoir thermoélectrique absolu des solides
II.1 Introduction
II.2 Principe de mesure de la résistivité électrique
II.2.1 Protocole de mesure la résistivité électrique
II.3 Principe de mesure du pouvoir thermoélectrique
II.3.1 Méthode des petites variations de températures ∆T (Méthode différentielle)
II.3.2 Protocole de mesure le pouvoir thermoélectrique
II.3.3 Méthode des grandes ∆T (méthode intégrale)
II.4 Schéma synoptique de description du dispositif expérimental pour la détermination simultanée de la résistivité et du pouvoir thermoélectrique absolu (PTA)
II.5 Description du dispositif de mesure
II.6 Programme Labview et mesures simultanées
II.7 Régulation de la température et du four
II.8 Profil du four horizontal
II.9 Système de vide-pression et puissance électrique
Références bibliographiques
Chapitre III : Partie 1
Étude par le transport électronique (résistivité, pouvoir thermoélectrique absolu et conductivité thermique) des corps purs
III.1.1 Introduction
III.1.2 Echelles de thermoélectricité
III.1.2.1 Échelle absolue de thermoélectricité
III.1.2.2 Notre pouvoir thermoélectrique de référence
III.1.3 Pouvoir thermoélectrique des métaux étudiés (Cu, Pt, W, Ni)
III.1.3.1 La puretés des métaux utilisés
III.1.3.2 Pouvoir thermoélectrique du cuivre
III.1.3.3 Pouvoir thermoélectrique du platine
III.1.3.4 Pouvoir thermoélectrique du tungstène
III.1.3.5 Pouvoir thermoélectrique du nickel
III.1.4 Résistivité électrique
III.1.4.1 Résistivité électrique, aux températures ambiantes, des métaux étudiés (Cu, Pt, Ni)
III.1.4.2 Résistivité électrique du cuivre
III.1.4.3 Résistivité électrique du platine
III.1.4.4 Résistivité électrique du nickel
III.1.5 Conductivité thermique (Pt, Cu, Ni)
III.1.5.1 Conductivité thermique du platine
III.1.5.2 Conductivité thermique du cuivre
III.1.5.3 Conductivité thermique du nickel
Références bibliographiques
Chapitre III : Partie 2
Étude des changements structuraux dans l’alliage amorphe Fe86Cr6P6C2
III.2.1 Introduction
III.2.2 Préparation et dimensions des rubans
III.2.3 Techniques de recherche du caractère amorphe dans l’alliage Fe86Cr6P6C2
III.2.3.1 Analyse par MEB
III.2.3.2 Analyse spectrale par des rayons X
III.2.3.3 Mesure de résistivité
III.2.4 Etude d’existence de phases par le transport électronique (résistivité et PTA)
III.2.4.1 Mesure isochrone (non isotherme)
III.2.4.2 Changement de température à faibles taux de chauffage (vitesse 0.5°C/min)
III.2.4.3 Changements des températures à vitesse moyenne (5 °C/min)
III.2.4.4 Effet de la vitesse de chauffage
III.2.4.5 Changement de phase à température constante
III.2.4.6 Hystérésis à basse température
III.2.5 Régime isotherme et isochrone
III.2.5.1 Protocole expérimental de réalisation des isothermes
III.2.5.2 Energie d’activation et, calcul
Références bibliographiques
Conclusion
