Sciences · Physique
Conducteurs et isolants électriques
Un conducteur électrique laisse passer le courant, car il contient des charges libres de se déplacer (électrons dans les métaux, ions dans les solutions). Un isolant ne le laisse pas, ou très peu, passer.
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Pourquoi les fils électriques sont-ils en cuivre entouré de plastique ? Parce que le cuivre est un excellent conducteur et le plastique un bon isolant. La distinction entre les deux est l’une des premières expériences d’électricité au collège : on insère un objet dans un circuit et on regarde si la lampe s’allume. Elle s’explique par la présence, ou non, de charges électriques mobiles dans le matériau.
Liste des principaux matériaux
| Conducteurs | Isolants |
|---|---|
| Tous les métaux : argent, cuivre, or, aluminium, fer, zinc, acier | Plastiques (PVC, polyéthylène, polystyrène) |
| Graphite (mine de crayon) | Verre, céramique, porcelaine |
| Eau salée, eau du robinet, solutions ioniques | Caoutchouc |
| Corps humain | Bois sec, papier sec, carton sec |
| Sol humide | Air sec, vide |
| Plasma (éclair, néon allumé) | Eau pure (très faiblement conductrice) |
Les meilleurs conducteurs métalliques à température ambiante sont, dans l’ordre : l'argent, le cuivre, l'or, puis l'aluminium. Le cuivre est le plus utilisé dans les câbles car il combine excellente conductivité et coût raisonnable ; l’aluminium, plus léger, équipe les lignes à haute tension.
Pourquoi certains matériaux conduisent
Un courant électrique est un déplacement d’ensemble de charges.
- Dans un métal, une partie des électrons de chaque atome n’est pas liée à un atome précis : ces électrons libres forment une sorte de « gaz » qui peut se déplacer dans tout le métal. Voir métaux.
- Dans une solution ionique (eau salée, électrolyte d’une pile), ce sont les ions positifs et négatifs qui se déplacent, en sens opposés.
- Dans un isolant comme le plastique ou le verre, tous les électrons sont fortement liés à leurs atomes ou à leurs liaisons : il n’y a pas de charges libres, donc pas de courant.
La capacité d’un matériau à conduire se mesure par sa conductivité (en siemens par mètre, S/m) ou son inverse, la résistivité (en Ω·m). La résistance d’un fil dépend de cette résistivité, de sa longueur et de sa section : R = ρ × L / S.
| Matériau | Résistivité approximative à 20 °C |
|---|---|
| Argent | 1,6 × 10⁻⁸ Ω·m |
| Cuivre | 1,7 × 10⁻⁸ Ω·m |
| Aluminium | 2,7 × 10⁻⁸ Ω·m |
| Fer | Environ 1 × 10⁻⁷ Ω·m |
| Eau de mer | Environ 0,2 Ω·m |
| Verre | 10¹⁰ à 10¹⁴ Ω·m |
L’écart entre le cuivre et le verre dépasse un facteur de 10¹⁸ : c’est l’une des propriétés physiques qui varie le plus d’un matériau à l’autre.
Expérience classique : tester un matériau
Matériel : une pile plate de 4,5 V, une lampe ou une DEL avec sa résistance, trois fils, deux pinces crocodiles, des objets à tester.
- Réaliser un circuit en série pile–lampe, en laissant un « trou » entre deux pinces crocodiles.
- Pincer l’objet à tester entre les deux pinces.
- Si la lampe s’allume, l’objet est conducteur ; sinon, il est isolant dans ces conditions.
Résultats habituels : clé, trombone, papier d’aluminium, mine de crayon : la lampe brille. Gomme, règle en plastique, bouchon, verre, bois sec : la lampe reste éteinte. Avec deux électrodes plongées dans de l’eau très salée, une DEL s’allume faiblement.
Le cas de l’eau et du corps humain
L'eau pure est très peu conductrice. Mais l’eau du robinet, l’eau de pluie, la sueur et l’eau de mer contiennent des ions dissous qui la rendent conductrice. Le corps humain, composé d’environ 60 % d’eau riche en ions, est conducteur ; une peau mouillée l’est encore davantage, car sa résistance chute. C’est pourquoi il ne faut jamais manipuler un appareil électrique avec les mains mouillées ni dans une salle de bains sans protection adaptée. Voir sécurité électrique.
Erreurs fréquentes
- Croire que le corps humain est isolant parce que la lampe ne s’allume pas sous basse tension.
- Croire que l’eau est toujours conductrice : c’est l’eau chargée d’ions qui conduit.
- Penser que l’air est toujours isolant : sous une tension très élevée, il devient conducteur (éclair, arc électrique).
- Classer le graphite comme isolant parce qu’il n’est pas métallique : c’est un conducteur.
Exercice corrigé
Énoncé. Un élève teste quatre objets avec un circuit pile–lampe : une cuillère en inox, une paille en plastique, une mine de crayon, un morceau de bois sec. 1) Prévoir le résultat. 2) Pourquoi les câbles électriques sont-ils faits de cuivre gainé de plastique ? 3) Pourquoi les pinces d’électricien ont-elles des manches en caoutchouc ?
Corrigé.
- Cuillère et mine : la lampe brille (conducteurs). Paille et bois sec : elle reste éteinte (isolants).
- Le cuivre transporte le courant avec peu de pertes ; la gaine isolante empêche le contact avec l’utilisateur et entre fils voisins (court-circuit).
- Le caoutchouc isolant protège la main si l’outil touche un conducteur sous tension.
Questions fréquentes
L’or est-il meilleur conducteur que le cuivre ?
Non, il conduit un peu moins bien. On l’utilise sur certains contacts électroniques parce qu’il ne s’oxyde pas, ce qui garantit un bon contact dans le temps.
Le bois mouillé est-il conducteur ?
Oui, assez pour être dangereux sous haute tension : l’eau et les sels qu’il contient le rendent conducteur. C’est pourquoi une branche humide tombée sur une ligne électrique ne doit jamais être touchée.
Un isolant peut-il devenir conducteur ?
Oui, au-delà d’une certaine tension (tension de claquage), l’isolant se perce et un arc électrique le traverse. L’air sec, par exemple, claque sous environ 3 millions de volts par mètre.