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'histoire incroyable de la découverte de la « loi Wiedemann-Franz » ! Pourquoi est-il si important pour la conduction de la chaleur et de l’électricité dans les métaux
Au cours de la longue histoire de la science, de nombreuses découvertes importantes ont été provoquées par des résultats expérimentaux inattendus. Dans les années 1840, le physicien allemand Gustav Weidmann et son collègue Rudolf Franz ont découvert qu'il existe une relation entre la conductivité thermique et la conductivité électrique en étudiant la conductivité électrique et la conductivité thermique des métaux. Une merveilleuse relation proportionnelle. Cette relation change à mesure que la température du métal change. Cette théorie a été formellement proposée en 1853 et plus tard connue sous le nom de « loi de Weidmann-Franz ».
La loi de Weidmann-Franz stipule que le rapport entre la conductivité thermique d'un métal et sa conductivité électrique est fonction de la température, et ce rapport est déterminé par une constante appelée nombre de Lorentz.
Les lois de Weidmann et Franz révèlent le rôle commun des électrons des métaux dans la conduction de la chaleur et de l'électricité. Cette découverte décrit non seulement un phénomène physique, mais offre également une perspective importante sur la compréhension de la microstructure des métaux. Les premières expériences ont montré que différents métaux ont presque le même rapport entre conductivité thermique et conductivité électrique à la même température, un phénomène qui a incité les scientifiques à approfondir la cause de ce phénomène.
"Dans les métaux, les électrons libres sont non seulement responsables de la conduction du courant, mais aussi du transport de la chaleur."
Au fil du temps, les physiciens ont commencé à utiliser le modèle Drude pour expliquer davantage ce phénomène. Un modèle hypothétique de Paul Drood suggère que les électrons des métaux migrent comme des molécules dans un gaz parfait, volant librement et interagissant avec d'autres particules ou défauts. Bien que ce modèle ait ses limites, il a joué un rôle clé dans la compréhension initiale de la conduction électronique.
À partir du modèle Drude, les scientifiques ont découvert que la vitesse de dérive moyenne des électrons est étroitement liée à l'intensité du champ électrique et à la durée moyenne de collision. Cette relation fournit de nouvelles informations sur le lien entre la conductivité thermique et la conductivité électrique. . Des recherches ultérieures ont permis de réaliser qu'à mesure que la température change, le rapport entre la conductivité thermique et la conductivité électrique des métaux change également. Surtout lorsque la basse température diminue, le rapport conductivité thermique/conductivité électrique revient à la valeur théorique du nombre de Lorentz.
« À mesure que la température change, les propriétés de conduction de la chaleur et de l'électricité changent, ce qui rend l'application de la loi de Weidmann-Franz cruciale dans la pratique. »
Sur la base de la loi de Weidmann-Franz, les scientifiques ont en outre découvert que dans des environnements à haute ou extrêmement basse température, le rapport entre la conductivité thermique et la conductivité électrique de certains métaux s'écartera considérablement des prévisions théoriques, ce qui signifie que dans ces environnements extrêmes , les mécanismes de conduction et la structure électronique du matériau deviennent plus complexes. Certaines études de ces dernières années ont observé que certains matériaux peuvent même présenter des phénomènes contraires aux prédictions de la loi de Weidmann-Franz, notamment dans les systèmes fortement corrélés, où la conduction de la chaleur et de l'électricité peut être considérée comme des phénomènes indépendants.
Grâce à ces explorations, la loi Weidmann-Franz améliore non seulement notre compréhension des propriétés conductrices des métaux, mais pose également une base théorique pour le développement futur de la science des matériaux et de la nanotechnologie. La conception et l’application de nombreux nouveaux matériaux, notamment la recherche sur les matériaux thermoélectriques, les semi-conducteurs et les matériaux supraconducteurs, reposent sur une compréhension et une application approfondies de cette loi.
"La découverte de la loi de Weidmann-Franz a conduit à des recherches approfondies sur la conductivité thermique et électrique des métaux, et elle reste d'une grande importance dans la physique moderne et la science des matériaux."
Aujourd'hui, cette loi est utilisée pour expliquer et prédire les propriétés conductrices de divers métaux et de leurs alliages. Que ce soit dans la recherche fondamentale ou dans les sciences appliquées, la loi de Weidmann-Franz reste un pont important reliant la conduction thermique et électrique. Avec les progrès de la science et de la technologie, nous devons nous demander si la loi Weidmann-Franz peut continuer à nous fournir des orientations et une inspiration pour le développement futur de la nanotechnologie et des nouveaux matériaux ?
