Les objets, comme les êtres vivants, sont constitués de matière. Pour désigner la matière dont est fait un objet, on utilise le mot "matériau". Il existe 3 grandes classes de matériaux : les verres, les métaux et les matières plastiques.
Un même objet, par exemple une bouteille, peut être fabriqué en verre, en matière plastique ou en aluminium. Un objet peut souvent être constitués de matériaux différents.
Un même matériau, par exemple l'aluminium, permet de fabriquer une canette de boisson, un câble électrique ou une casserole. Parfois le nom du matériau utilisé dans la fabrication d'un objet est à l'origine du nom de cet objet.

Comment construire une maison ?
Les propriétés des matériaux sont importantes à connaître car ce sont grâce à elles que l'on fabrique des maisons, des immeubles et des constructions solides et durables.

Constitution de la matière

L'atome

Sa découverte

La découvert de l'atome est imputable à Ernest Rutherford. Durant le début des années 1910, il s'est attelé à comprendre la composition de l'atome. Il a alors déterminé que l'atome était constitué d'un noyau qui concentrait toute la charge positive et aussi presque toute la masse de l'atome. Ce noyau est entouré d'un nuage électronique composé d'électrons.
L'un de ses collègues de laboratoire, Niels Bohr, a quant à lui démontré que les états de l'électrons dépendaient de l'énergie déterminée par le nombre n de l'atome. C'est à lui qu'on doit la compréhension de l'émission d'un photon lors d'un passage à un état inférieur.

Ernest Rutherford

Ernest Rutherford est un physicien et chimiste néo-zélandais ayant vécu de 1871 à 1937. On le considère comme l’un des précurseurs de la physique nucléaire. On lui doit notamment la découverte :

  • Des rayons alpha,
  • Des rayons bêta,
  • Du noyau atomique et de ses charges électroniques,
  • De la désintégration nucléaire.

Toutes ses recherches le conduisirent à diriger le prestigieux laboratoire Cavendish de l’université de Cambridge au Royaume-Uni mais aussi de recevoir le prix Nobel de chimie en 1908.

Niels Bohr

Niels Henrik David Bohr est né le 7 Octobre 1885 à Copenhague et est mort le 18  novembre 1962 dans la même ville. Ce physicien danois est surtout connu pour sa contribution à l’établissement de la physique quantique.

Il a d’ailleurs reçu pour cela de nombreux honneurs : il a même été lauréat du prix Nobel de physique en 1922 pour son développement des mécanique quantique. Mais avant cela, il a été en 1921, lauréat de la médaille Hughes.

En 1926, il devient membre étranger de la Royal Society.

La Royal Society of London for the Improvement of Natural Knowledge, abrégée en Royal Society, est l’institution des sciences en Angleterre. Fondée en 1660 à Londres, elle est au Royaume-Uni l’équivalent de l’Académie des sciences en France.

Par la suite, il devient lauréat de la médaille Franklin, toujours en 1926. Il devient par la suite lauréat du Daraday Lectureship de la Société Royale de chimie en 1930 puis lauréat de la médaille de Copley en 1938.

N’étant ni membre d’une famille royale, ni chef d’Etat, il deviendra en 1947 le troisième et dernier Danois à être admis au sein de l’Ordre de L’Élephant au cours du xxe siècle.

L’ordre de l’Éléphant est un ordre de chevalerie danois. La décoration représente un éléphant portant une tour. C’est un insigne en émail blanc qui est suspendu à un collier d’or ou à un ruban bleu passé de l’épaule gauche au côté droit.

Il deviendra par la suite président de l’Académie royale danoise des sciences et des lettres de 1939 à 1962.

En son honneur, l’Union astronomique internationale nommera une vallée lunaire « la Vallis Bohr ».

L'électron

Qu'est-ce que l'Atomium ?
Cette sculpture que l'on peut voir à Bruxelles représente une molécule et ses atomes, liés par des liaisons simples. Construit en 1958, l'Atomium comporte 6 sphères ouvertes au public et visitables.

La première approche des électrons date de l'époque de la Grèce Antique. Ceux-ci avaient pris conscience qu'une certaine oléorésine, l'ambre était capable d'attirée des objets si elle était frottée avec de la fourrure. Sans le savoir, ils venait de découvrir l'électricité statique. Il s'agit du deuxième phénomène électrique dont l'Homme a pris conscience, juste après la foudre.

En 1269, un ingénieur militaire qui servait auprès du prince Charles Premier de Sicile, se mit à étudier le phénomène d'attirance ente des petits objets après qu'ils aient été frottés.

L'électron est donc l'un des composants de l'atome au même titre que les neutrons et protons. C'est une particule élémentaire que l'on note petit e et dont la charge élémentaire est de signe négatif. Ils s'organisent autour du noyau de l'atome dans ce que l'on appelle un nuage électronique.

Les électrons et leurs propriétés ont aidé à la compréhension d'une multitude de phénomènes physiques, notamment en termes de conductivité.

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Propriétés caractéristiques de quelques matières

Propriétés caractéristiques des verres

Le verre est un solide dur, indéformable et très fragile : il se casse sous l'effet d'un choc. Généralement transparents, on peut le teinter dans la masse en lui ajoutant des oxydes métalliques. Les verres sont des isolants électriques et conduisent mal la chaleur. Le verre est facile à mettre en forme à haute température. Il est inaltérable : il n'est pas combustible et présente une grande inertie chimique vis-à-vis des acides, des bases et des solvants.

Comment s'isoler efficacement ?
Les constructions en verre tendent à voir de plus en plus souvent le jour. En effet, avec le double et le triple vitrage, on bénéficie d'une bonne isolation thermique et la transparence du verre permet d'éviter de s'éclairer en journée car elle permet à la lumière naturelle du Soleil de pénétrer dans les bâtiments.

Propriétés caractéristiques des métaux

Les métaux sont d'excellents conducteurs de l'électricité et de la chaleur. Moins durs que le verre, les métaux se rayent mais ne se brisent pas. Faciles à mettre en forme, on dit que les métaux sont malléables :

  • On peut les tordre ;
  • On peut les laminer ( obtention de plaques par passages entre deux rouleaux ) ;
  • On peut les étirer ( obtention de barres par passages à travers une filière ) ;
  • On peut les emboutir ( mise en forme d'une plaque par pressage ).

Fraîchement décapés et polis, les métaux brillent d'un éclat très vif ; cette propriété était utilisé jadis pour réaliser des miroirs en polissant avec soin la surface métallique. Cependant, cet éclat ternit rapidement car, à l'exception de l'or, les métaux sont oxydables.

Propriétés caractéristiques des matières plastiques

Nous avons l'habitude de désigner sous la même appellation de matière plastique une très grande variété de matériaux obtenus artificiellement et dont les usages sont multiples. Bien que très diversifiées, les matières plastiques ont en commun certaines propriétés :

  • Elles sont légères ;
  • Elles sont faciles à mettre en forme ;
  • Elles résistent bien aux chocs ;
  • Elles ne réagissent pas avec l'eau et généralement pas avec les acides et les bases.

La plupart des matières sont combustibles. Elles sont aussi souvent utilisées pour leur propriété d'isolant thermique et électrique.

Quelques propriétés physiques des matériaux

La conductivité thermique

La conduction correspond au transfert de chaleur direct entre des matières en contact. La conduction thermique est un terme spécifique aux solides. C’est un transfert thermique direct au sein d’un milieu matériel (par propagation de proche en proche).

Toute matière est composée d’atomes (qui font éventuellement partie de molécules) et ces atomes ne sont jamais totalement fixes : ils vibrent et ces vibrations peuvent se transmettre de proche en proche aux atomes voisins et c’est ce phénomène qui correspond à un transfert de chaleur par conduction.

La chaleur est ainsi transmise des particules les plus agitées (celles qui ont donc la température la plus élevée) vers les particules les moins agitées (celles qui ont la température la plus faible).

La conduction se définit par une transmission de chaleur de proche en proche dans un matériau comme le métal. En effet, les métaux sont de bons conducteurs de chaleur.

Les métaux peuvent être classés en fonction d’une caractéristique particulière : leur conductivité thermique.

C’est une grandeur qui caractérise l’aptitude d’un corps à conduire la chaleur. Plus elle est élevée et plus le matériau conduit la chaleur et donc moins il est isolant. En effet, les électrons de la matière communiquent leur agitation de proche en proche.

Cette caractéristique va de paire avec la conductivité électrique.

Le cuivre et l’aluminium sont des matériaux présentant une très forte conductivité thermique.

Le bois, le polystyrène ou  l’air sont des isolants. Les matériaux isolants permettent de limiter les déperditions de chaleur.*

La supraconductivité

La supraconductivité, ou supraconduction, correspond à un état de la matière dans lequel il y a absence totale de résistance électrique mais dans laquelle il y a expulsion du champ magnétique (on parle d’effet Meissner). On appelle ces matériaux des matériaux supraconducteurs.

Puisque la supraconductivité permet de transporter de l’électricité sans perte, ces utilisations potentielles sont stratégiques.

La supraconductivité est découvert en 1911 par Heike Kamerlingh Onnes, un physicien néerlandais, et son équipe.

Ce physicien avait réussi à liquéfier pour la première fois de l’hélium en 190. Grâce à cela, il a pu mener des mesures physiques jusqu’à des températures de 1,5 K (-271,6 °C). Il avait alors décidé de mesure toutes les propriétés de la matière à très basse température, en particulier la mesure de la résistance électrique des métaux.

C’est en avril 1911 que l’équipe mesure la résistivité électrique (ou résistance électrique) du mercure. Contre toute attente, la résistance électrique du mercure devient nulle en dessous d’une certaine température appelée température critique, notée Tc, de l’ordre de 4,2 K pour le mercure.

Cette température critique change selon le matériau étudié. Ce fut la première observation d’un état supraconducteur. Mais, à cette époque, cet état fut confondu avec un conducteur idéal.

L'incandescence

L'incandescence est le phénomène qui intervient lorsqu'un corps est tellement chauffé qu'il se met à émettre de la lumière. C'est le cas par exemple des braises de charbon rouges dans un barbecue.

L'induction électromagnétique

Lorsqu'un conducteur électrique est soumis à un champ magnétique variable, le courant se met à passer dans ce conducteur qui chauffe et émet donc de la lumière, au même titre qu'un matériau incandescent.

Le rayonnement électromagnétique

Tout corps émet des rayonnements dont la fréquence (et donc l’énergie) dépend de la température de ce corps : ce phénomène est décrit par la loi de Wien. A température ambiante la majorité de ces rayonnements sont des infrarouges qui sont absorbés par la matière environnante et en convertis en chaleur.

La loi de Wien met en relation le rayonnement d’un corps noir (corps opaque et non réfléchissant et non diffusant et capable d’absorber toutes les radiations électromagnétiques incidentes) à une longueur d’onde.

Le réflexe optique

Comment faire une photo ?
Le concept de réflexe optique est souvent analysé par les constructeurs d'appareils et d'objectifs photographiques. En effet, son calcul permet d'éviter la déformation des images lors des prises de vues.

Le réflexe optique est le phénomène qui intervient lors de chaque incidence d'une lumière sur un matériaux. Il s'agit de la lumière qui n'est ni absorbée ni transmise. On l'appelle donc lumière réfléchie.

Le magnétisme

Le magnétisme est le phénomène physique selon lequel des matériaux s'attirent ou se repoussent. Il est donc régi par les forces magnétiques et les champs qui y sont associés.

La conductivité électrique

La conductivité électrique d'un matériau est sa capacité à laisser se déplacer les charges électriques et donc les électrons en son sein.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.