Physique du primaire et du collège · Grades 1–9
22Conducteurs et isolants
Pourquoi les fils électriques sont-ils en métal — mais habillés de plastique ? Pourquoi le petit pont de l’interrupteur laisse-t-il passer le courant, alors que son boîtier garde tes doigts en sécurité ? L’an dernier, nous fermions des boucles ; cette année, nous demandons quelles matières l’électricité peut traverser. La réponse range toutes les matières en deux catégories : les conducteurs et les isolants.
22.1 Le testeur
Méthode 22.1 (Construire un testeur)
Construis la boucle de l’an dernier — pile, fils, lampe — mais en laissant une coupure volontaire : deux extrémités de fil libres, écartées d’une largeur de doigt.
- mettre les deux extrémités libres en contact : la lampe s’allume — le testeur fonctionne ;
- combler la coupure avec l’objet à l’essai, une extrémité métallique pressée fermement contre chaque fil ;
- observer la lampe : allumée, l’électricité a traversé l’objet ; éteinte, elle n’a pas pu.
La lampe donne la réponse : elle s’allume exactement quand l’objet testé complète la boucle.
22.2 Conducteurs et isolants
Définition 22.2 (Conducteur)
Un conducteur est une matière qui laisse l’électricité la traverser. Dans le testeur, un conducteur qui comble la coupure ferme la boucle et allume la lampe.
Définition 22.3 (Isolant)
Un isolant est une matière qui bloque l’électricité. Combler la coupure avec un isolant laisse la boucle aussi ouverte qu’avant : la lampe reste éteinte.
Exemple 22.4 (Une matinée d’essais)
Résultats d’un testeur de classe : un trombone en acier — allumée. Une pièce de monnaie — allumée. Du papier d’aluminium — allumée. Une clé — allumée. Une règle en plastique — éteinte. Un crayon en bois — éteinte. Une bille de verre — éteinte. Une gomme en caoutchouc — éteinte. Une bande de papier — éteinte. La régularité saute aux yeux : les objets qui allument la lampe sont tous en métal.
Proposition 22.5 (Les métaux conduisent)
Tous les métaux conduisent l’électricité — le fer, le cuivre, l’aluminium, l’or, tous sans exception, ce qui explique que les caprices de l’aimant pour le fer nous aient surpris alors que le testeur, lui, ne nous surprendra jamais. La plupart des autres solides de tous les jours — plastique, bois, verre, caoutchouc, papier, cire — sont des isolants.
Remarque 22.6 (Conducteur ne veut pas dire magnétique)
Ne confonds pas les deux talents des métaux. L’aimant ne choisit que le fer et sa famille ; le courant électrique est bien moins difficile et traverse tous les métaux. Le papier d’aluminium qui ignorait ton aimant conduit le courant à merveille — deux jeux différents, deux règles différentes.
22.3 Conducteurs et isolants travaillent ensemble
Exemple 22.7 (Anatomie d’un fil)
Regarde l’extrémité du câble d’une lampe, là où il entre dans la fiche : à l’intérieur court du cuivre brillant — un conducteur, la route du courant ; tout autour s’enroule du plastique coloré — un isolant, la clôture de la route. Le cuivre fait le travail ; le plastique garde le courant dedans et tes doigts dehors. Tous les câbles de ta maison associent les deux : un conducteur à l’intérieur d’un isolant.
Exemple 22.8 (Lire les objets de tous les jours)
Beaucoup d’objets s’expliquent maintenant tout seuls. L’interrupteur : un pont de métal (il doit porter le courant) dans un boîtier de plastique (ton doigt, lui, ne doit pas). Le tournevis de l’électricien : lame d’acier, manche isolant épais. La prise : du métal bien au fond, du plastique en façade. Les pylônes portent des câbles de métal nus, hauts et hors d’atteinte, suspendus à de longs disques isolants pour que le courant ne fuie pas dans le pylône.
Remarque 22.9 (L’eau, les humains, et la raison des règles)
Il reste un conducteur à nommer : les objets humides — y compris la peau humaine humide. Nous conduisons mal, mais la prise de courant pousse si puissamment que « mal » suffit largement. Voilà la raison profonde des règles de sécurité que tu connais : ne jamais mettre les doigts dans une prise, ne jamais toucher un appareil électrique avec les mains mouillées, tenir les sèche-cheveux loin de la baignoire. Le testeur à pile est sans danger parce que la poussée d’une pile est minuscule ; la prise, elle, ne pardonne rien.
22.4 Exercices
Exercice 22.1 ★
Qu’est-ce qu’un conducteur ? Un isolant ? Lequel des deux allume la lampe du testeur ?
Solution
Solution de Exercice 22.1.
Un conducteur laisse l’électricité le traverser ; un isolant la bloque. C’est le conducteur qui allume la lampe — il ferme la boucle.
Exercice 22.2 ★
Range en conducteurs et isolants : une cuillère en acier ; un bouchon de liège ; du papier d’aluminium ; un verre ; une pièce en cuivre ; une brique de plastique.
Solution
Solution de Exercice 22.2.
Conducteurs : la cuillère en acier, le papier d’aluminium, la pièce en cuivre. Isolants : le bouchon de liège, le verre, la brique de plastique.
Exercice 22.3 ★
Avant tout essai, comment vérifier que le testeur lui-même fonctionne ? Pourquoi cette vérification est-elle importante ?
Solution
Solution de Exercice 22.3.
Mettre les deux extrémités libres directement en contact : la lampe doit s’allumer. Si le testeur lui-même est en panne, tous les objets sembleraient être des isolants — la vérification évite d’accuser des innocents.
Exercice 22.4 ★
Un objet à l’essai laisse la lampe éteinte. Donne deux raisons possibles — l’une au sujet de l’objet, l’autre au sujet d’un essai mal fait.
Solution
Solution de Exercice 22.4.
Soit l’objet est un isolant — soit l’essai a été mal fait : une extrémité de fil posée sur de la peinture, du vernis ou de la saleté au lieu d’appuyer fermement sur la matière nue de l’objet (ou une connexion s’est détachée).
Exercice 22.5 ★
Pourquoi le câble d’une lampe est-il en cuivre à l’intérieur et en plastique à l’extérieur ? Quel métier fait chaque matière ?
Solution
Solution de Exercice 22.5.
Le cuivre conduit : c’est la route du courant jusqu’à la lampe. Le plastique isole : il garde le courant dans le fil et les doigts en sécurité à l’extérieur.
Exercice 22.6 ★
Dans un interrupteur, quelle partie est conductrice et laquelle est isolante ? Pourquoi a-t-il besoin des deux ?
Solution
Solution de Exercice 22.6.
Le petit pont de métal conduit — il doit fermer la boucle quand l’interrupteur est allumé. Le boîtier isole — des doigts s’y appuient toute la journée. Sans le pont, pas de lumière ; sans le boîtier, pas de sécurité.
Exercice 22.7 ★
Le papier d’aluminium ignore complètement un aimant. Allumera-t-il la lampe du testeur ? Quelle règle répond, et contre quelle confusion Remarque 22.6 met-elle en garde ?
Solution
Solution de Exercice 22.7.
Oui — l’aluminium est un métal, et tous les métaux conduisent. L’avertissement : être magnétique et être conducteur sont deux talents différents ; la règle du fer, propre à l’aimant, ne dit rien sur la conduction.
Exercice 22.8 ★
Un crayon, c’est du bois avec une mine de graphite. Le testeur de Nino reste éteint à travers le bois verni, mais s’allume faiblement d’une pointe à l’autre en passant par le graphite taillé aux deux bouts. Qu’a découvert Nino sur les deux matières du crayon ?
Solution
Solution de Exercice 22.8.
Le bois (et le vernis) est un isolant, mais la mine de graphite à l’intérieur est un conducteur — un rare conducteur qui n’est pas un métal, courant caché d’un bout à l’autre du crayon.
Exercice 22.9 ★
Pourquoi les tournevis et les pinces des électriciens ont-ils d’épais manches en plastique ? Quelle matière protège qui ?
Solution
Solution de Exercice 22.9.
C’est l’isolant qui protège l’humain : si le métal de l’outil touche un jour quelque chose d’électrique, l’épais manche de plastique empêche le courant de passer dans la main.
Exercice 22.10 ★★
Une chaîne de collier donne « allumée » dans le testeur ; un collier de perles en bois donne « éteinte » ; un collier de perles de métal nouées sur un gros fil de coton donne « éteinte » aussi — alors que chaque perle conduit ! Explique le troisième résultat en suivant la route du courant, de perle en perle.
Solution
Solution de Exercice 22.10.
Le courant doit parcourir toute la route. Dans la chaîne, chaque maillon de métal touche le suivant : la route de métal est complète. Dans le collier de perles, entre une perle de métal et la suivante s’étend un bout de nœud de coton — un isolant — si bien que la route est coupée à chaque perle : éteinte, malgré tous ces conducteurs.
Exercice 22.11 ★★
Pourquoi est-il bien plus dangereux de toucher des appareils électriques avec les mains mouillées qu’avec les mains sèches ? Et pourquoi le testeur à pile est-il sans danger pour tes expériences alors que la prise ne l’est jamais ? Sers-toi de Remarque 22.9.
Solution
Solution de Exercice 22.11.
La peau humide conduit bien mieux que la peau sèche : des mains mouillées offrent donc au courant une route facile à travers le corps. Le testeur à pile est sans danger parce que la poussée d’une pile est minuscule ; celle de la prise est des centaines de fois plus puissante — à travers une peau humide, elle peut être mortelle, et c’est pourquoi les règles autorisent les jeux avec une pile et interdisent les prises, toujours.