Chap 4 - Les autres propriétés des matériaux (Exam 2)

Question 1

Quelle est la formule de la loi d’Ohm?

Answer 1

V=RI

Question 2

Quelle est la formule de la conductivité électrique?

Answer 2

Question 3

Quelle est la formule de la résistivité?

Answer 3

Question 4

Quelles intervalles de valeur de conductivité correspondent à un métal? Un semi-conducteur? Un isolant?

Answer 4

Question 5

Quelles sont les trois types de bandes sur un atome?

Answer 5

Bande de conduction, de valence et de coeur

Question 6

Qu’est-ce que le niveau de Fermi?

Answer 6

Par définition, les électrons de plus haute énergie dans la bande
sont sur ce que l’on appelle le niveau de Fermi. Le niveau de Fermi est l’énergie maximale dans la bande de valence pour les électrons à température nulle (zéro kelvin).

Question 7

Quelle est la différence entre un conducteur, semi-conducteur et isolant? Explique avec les bandes interdites.

Answer 7

Conducteur: bande de valence partiellement remplie ou recouvrement avec la bande de conduction

Semi-conducteur: bande interdite suffisamment petite (< 3 eV) pour que des électrons de la bande de valence puissent passer à la bande de conduction (avec une probabilité qui augmente avec la température)

Isolant:la largeur de la bande interdite proscrit l’excitation des électrons et les faire passer dans les états conducteurs

Question 8

Donne moi des exemples de forces qui occasionnent la diffusion d’électron.

Answer 8

Atomes d’impuretés : L’introduction d’impuretés dans un matériau cristallin crée des zones de concentration d’atomes différents de ceux de la matrice cristalline. Les électrons peuvent diffuser vers ou depuis ces régions d’impuretés en réponse à des gradients de concentration, de potentiel électrochimique ou d’énergie libre. Par exemple, dans les semi-conducteurs dopés, les électrons de charge libre peuvent se déplacer vers les atomes dopants pour former des liaisons, conduisant à la diffusion des électrons dans le matériau.

Lacunes : Les lacunes sont des sites vides dans la structure cristalline où un atome devrait normalement se trouver. Les électrons peuvent se déplacer vers ces lacunes en raison de gradients de potentiel ou de concentration, favorisant ainsi la diffusion des électrons à travers le matériau.

Dislocations : Les dislocations sont des défauts linéaires dans un cristal où l’alignement régulier des atomes est perturbé. Les électrons peuvent se déplacer le long de ces dislocations, facilitant leur diffusion dans le matériau. Les dislocations fournissent des chemins de moindre résistance pour le mouvement des électrons à travers la structure cristalline.

Vibrations thermiques des atomes eux-mêmes : Les vibrations thermiques des atomes dans un matériau cristallin peuvent causer des déformations locales temporaires de la structure cristalline. Ces déformations locales peuvent perturber la distribution des électrons dans le matériau, favorisant ainsi leur diffusion.

Question 9

Explique le concept de trou.

Answer 9

Le passage de chaque électron excité dans la bande de conduction se traduit par un état électronique inoccupé dans la bande de valence (l’absence d’un électron dans une liaison covalente) On peut considérer un électron manquant de la bande de valence comme une particule à charge positive portant le nom de trou.

Question 10

Que sont les dopans et à quoi servent-ils?

Answer 10

Des impuretés (des familles voisines) ajoutées à des semi-conducteurs pour altérer. Ils permettent l’apport d’électrons ou de trous excédentaires.

Question 11

Quelle est la différence entre les semi-conducteures extrinsèque et intrinsèques?

Answer 11

Intrinsèques = atomes purs

Extrinsèques = modifiés par des dopants

Question 12

Quelle est la différence entre choisir un dopant d’une famille avec plus ou moins d’électrons de valance?

Answer 12

Moins d’e- = plus de trous pour le mouvement d’électrons (semi-conducteur de type P pour positif)

Plus d’e- = moins de trous, plus d’électrons libres (type N pour négatif)

Question 13

Quels sont les semi-conducteurs les plus utilisés?

Answer 13

Les matériaux semi-conducteurs les plus utilisés sont le silicium, le germanium et l’arséniure de gallium.

Question 14

Explique le fonctionnement d’un transitor à effet de champ.

Answer 14

Type N aux extrémités, type P au centre (la grille). E- de la zone N (source) vers la zone P. Zone P devient négative et crée une zone de déplétion d’e- aux bordures de la zone N (source) et P. Lorsqu’un courant électrique est activé, le voltage posifif crée un canal par lequel les électrons peuvent passer de la source au drain.

Question 15

Que se passe-t-il à l’échelle atomique lors d’une dilatation thermique?

Answer 15

À l’échelle atomique, la dilatation thermique correspond à une augmentation de la distance entre les atomes.

Question 16

À quoi est due la dilatation thermique?

Answer 16

La dilatation thermique est due à l’asymétrie du puits d’énergie potentielle.

Question 17

Quel est le lien entre l’énergie de liaison interatomique et la forme du puit d’énergie potentielle?

Answer 17

Plus l’énergie de liaison
interatomique est grande, plus
le puits d’énergie de potentiel
est profond et étroit.

Question 18

Qu’est-ce qui transmet la chaleur dans des solides?

Answer 18

Dans les matériaux solides, la chaleur est transmise par les
ondes de vibration (les phonons) et les électrons libres.

Question 19

Qu’est-ce qu’un dipôle magnétique?

Answer 19

Un corps chargé électriquement en
rotation.

Question 20

Quelle est la formule de la magnétisation?

Answer 20

Question 21

Quelle est la source principale de ferromagnétisme?

Answer 21

Le spin des électrons dans les atomes est la source principale de ferromagnétisme.

Question 22

Qu’est-ce que le diamagnétisme?

Answer 22

• résultat du phénomène classique d’induction : modification de la trajectoire des électrons par application d’un champ
  magnétique externe
• propriété de toute matière, mais masqué par les effets du paramagnétisme ou du ferromagnétisme lorsque ceux-ci sont
  présents
• caractérisé par X extrêmement faible (environ 10^-5)

Question 23

Qu’est-ce que le paramagnétisme?

Answer 23

• résultat de la présence d’électrons non appariés
• moments magnétiques atomiques présents, mais orientés de façon aléatoire en absence d’un champ magnétique externe
• l’orientation des moments magnétiques sous l’influence d’un champ magnétique externe crée une aimantation dirigée dans le même sens que ce champ mais l’aimantation disparaît lorsque le champ externe est coupé
• caractérisé par X très faible ( 10^-3)

Question 24

Qu’est-ce que le ferromagnétisme?

Answer 24

Les matériaux ferromagnétiques ont la capacité de s’aimanter sous l’effet d’un champ magnétique extérieur et de
garder cette aimantation. Ils se distinguent des paramagnétiques qui ne conservent pas leur aimantation à champ nul.
- caractérisé par X très grande (jusqu’à 10^5)

Le ferromagnétisme est le mécanisme fondamental par
lequel certains matériaux (fer, cobalt, nickel) sont attirés par
des aimants ou forment des aimants permanents.

Question 25

Qu’est-ce que la règle de Hund?

Answer 25

Dans son état fondamental, un atome adopte la configuration présentant le plus grand nombre d’électrons non appariés.

Question 26

Quel est le nom de l’effet qui fait s’aligner le spin des électrons non appariés parallèlement au champ magnétique externe?

Answer 26

Paramagnétisme

Question 27

Qu’est-ce que les moments magnétiques ont tendance à faire dans des métaux ferromagnétiques?

Answer 27

Les moments magnétiques atomiques ont tendance à s’aligner pour créer une aimantation spontanée du milieu même alors qu’il n’y a pas eu de champ appliqué.

Question 28

Qu’est-ce qu’un domaine de Weiss?

Answer 28

Une zone dans laquelle tous les moments magnétiques atomiques adoptent la même orientation

Question 29

Pourqoi les domaines de Weiss se créent-ils?

Answer 29

• Effet quantiques
• on prédit un alignement des spins lorsque la distance interatomique (rab) est relativement grande par rapport au rayon orbital (ro)

Cette condition est satisfaite pour le fer, cobalt, nickel et des métaux des terres rares (comme le néodyme)

Question 30

Comment crée-t-on un aimant permanent?

Answer 30

On applique à un ferrometal un champ magnétique important. Celui-ci fait s’aligner les moments magnétiques des domaines et leur taille augmente.

Question 31

Que représentent les barrières énergétiques dans un aimant?

Answer 31

Les parois entre les domaines de Weiss.

Question 32

Qu’est-ce que la température de Curie?

Answer 32

Température à laquelle le matériau perd son aimantation permanente

Question 33

Qu’est-ce que permet que certains solides covalents soient colorés? Donne un exemple.

Answer 33

Des impuretés. Par exemple, du saphir avec un peu de Cr_2O_3 donne la couleur rouge du rubis.

Question 34

Qu’est-ce qui cause l’opacité d’un matériau?

Answer 34

• engendrée par la réflexion ou la réfraction de la lumière en traversant le matériau (la diffusion)
• le faisceau lumineux transmis est alors dévié et semble flou

Question 35

Pourquoi les métaux sont-ils opaques?

Answer 35

Bande interdite d’énergie : Les métaux ont une structure électronique qui se caractérise par la présence d’une bande de conduction partiellement remplie et une bande de valence partiellement vide. Cette bande interdite d’énergie relativement faible permet aux électrons de transitionner facilement entre les niveaux d’énergie, ce qui leur confère une haute conductivité électrique et thermique. Cependant, cette bande interdite d’énergie est telle que les métaux absorbent efficacement la lumière visible, ne permettant pas à la plupart des photons de traverser le matériau. Au lieu de cela, la lumière est absorbée par les électrons dans le matériau, ce qui lui confère son apparence opaque.

Interaction avec la lumière : Lorsque la lumière frappe la surface d’un métal, les électrons dans la bande de valence absorbent les photons de lumière, ce qui les excite vers des niveaux d’énergie supérieurs. Cette absorption de photons de lumière visible se traduit par une forte réflexion de la lumière, empêchant ainsi la transmission de la lumière à travers le matériau. Cela confère aux métaux leur apparence réfléchissante caractéristique et les rend opaques à la lumière visible.Les métaux sont opaques parce que le rayonnement incident aux fréquences dans la région visible excite des électrons
pour les faire passer à des états situés au-delà du niveau de Fermi.

Toutes les fréquences de la lumière visible sont absorbées. La majeure partie du rayonnement absorbé est réémise à la surface sous forme de lumière visible à la même longueur d’onde. La lumière est réfléchie.

Question 36

Pourquoi le courant dans une diode ne passe que dans un sens?

Answer 36

Parce qu’une diode est composé d’un semi-conducteur de type N et de type P. Pour contrer la couche isloante qu’est la zone de déplétion d’électrons, le positif du courant doit être du côté de la zone P et négatif côté N.

Question 37

Explique le fonctionnement d’une ampoule DEL.

Answer 37

Les diodes électroluminescantes fontionnent grâce à la bande interdite.

L’électroluminescence est le résultat de la recombinaison radiative des électrons et des trous.

Un photon est émis, car pour passer de la bande de conduction de la zone N à la bande de valence de la zone P, l’électron doit perdre de l’énergie et cela se fait sous forme de photon.

L’énergie (la couleur) de la lumière émise découle de la largueur de la bande interdite (formule de plank).

Question 38

Qu’est-ce qu’un crystal liquide?

Answer 38

Un liquide ordonné.