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Conducteurs et isolants électriques

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Objectif

Un circuit électrique ne fonctionne que si la circulation du courant électrique est possible.
Quels sont les matériaux et les composants électriques qui laissent le courant électrique circuler ?
Comment les reconnaître ?

1. Exemple de l'interrupteur

Le rôle de l'interrupteur est d'ouvrir ou de fermer un circuit électrique : il peut conduire le courant électrique quand il est fermé, ou l'empêcher de circuler quand il est ouvert.

Son fonctionnement ne peut être expliqué qu'en étudiant les conducteurs et les isolants électriques.

2. Définitions

Il existe deux sortes de matériaux :
– les conducteurs électriques sont des matériaux qui conduisent le courant électrique ;
– les isolants électriques sont des matériaux qui ne conduisent pas le courant électrique.

3. Test de conductivité

a. Méthode

Un test de conductivité permet de déterminer si un matériau est conducteur ou isolant électrique.
Ce test peut être réalisé simplement à l'aide d'un circuit électrique (doc.1.).

Doc.1. Test de conductivité.

Principe du test
Le matériau à tester est inséré dans un circuit électrique comprenant une pile et une lampe :
– si la lampe brille, le courant électrique circule, donc le matériau testé est conducteur électrique ;
– si la lampe reste éteinte, le courant ne circule pas, donc le matériau testé est isolant électrique.

b. Résultats pour quelques matériaux

Doc.2. Quelques matériaux conducteurs et isolants.

Remarques :

– le cuivre est un métal orangé que l'on peut trouver dans les pièces de 1, 2 et 5 centimes d'euro ;
– le graphite est le matériau qui constitue les mines de crayon à papier.

c. Interprétation des résultats et conclusion

• Le cuivre, le fer et l'aluminium sont tous conducteurs ; c'est également le cas des matériaux appartenant comme eux à la famille des métaux.
Tous les métaux sont conducteurs électriques.

• Tous les matériaux solides (à l'exception du graphite et des métaux) sont isolants électriques.

• L'eau pure est isolante électrique, mais l'eau salée est conductrice électrique.

Remarque : L'eau dans la nature n'est jamais pure, elle contient en général des sels minéraux qui la rendent conductrice.

4. Conducteurs et isolants dans un circuit

a. Interprétation du fonctionnement de l'interrupteur

L'interrupteur conduit le courant quand il est fermé, car ses bornes sont reliées par des éléments métalliques conducteurs.
Quand il est ouvert, ses parties métalliques sont séparées par un isolant (l'air) qui empêche le courant de circuler.
En résumé, un interrupteur fermé se comporte comme un conducteur électrique et un interrupteur ouvert se comporte comme un isolant électrique.

b. Cas d'une lampe grillée

Le filament d'une lampe est conducteur puisqu'il est composé d'un métal : le tungstène.
Quand une lampe grille, son filament fond et le gaz isolant contenu dans l'ampoule prend la place du filament : le courant électrique ne peut plus circuler.

c. Cas d'une ampoule dévissée

Lorsqu'une ampoule est dévissée de son support (ou mal vissée), l'un de ses pôles (le plot) n'est plus en contact avec le fil de connexion : l'espace entre les deux est occupé par l'air qui est un isolant électrique. Le courant électrique ne circule plus.

Doc.3. Fonctionnement d'une ampoule.

d. Généralisation pour un circuit électrique

Pour qu'un circuit électrique soit fermé, il doit être constitué d'une chaîne ininterrompue de conducteurs électriques.

5. Cas des diodes

Il existe des diodes simples et des diodes qui émettent de la lumière, appelées diodes électroluminescentes (DEL). Elles fonctionnent de la même manière.

• Symboles


diode	DEL

Doc.4. Symboles normalisés des diodes.

• Protection des diodes

Les diodes sont fragiles et doivent recevoir un courant peu intense. Pour limiter le courant et les protéger, on les utilise souvent avec une résistance.

Doc.5. Symbole normalisé d'une résistance.

• Test de conductivité d'une DEL

Doc.6. Test de conductivité d'une DEL.

Dans le circuit a (doc.6.), la DEL brille, donc le courant circule.
Dans le circuit b (doc.6.), la DEL reste éteinte, donc le courant ne circule pas.

Selon son sens de branchement, la diode se comporte comme un conducteur ou un isolant.

L'essentiel

Un conducteur électrique est un matériau qui conduit le courant électrique.
Un isolant électrique est un matériau qui ne conduit pas le courant électrique.
Un test de conductivité peut être réalisé en insérant un matériau à tester dans un circuit électrique comportant une lampe et une pile :
– si la lampe brille, le courant circule et le matériau est conducteur électrique
– si elle reste éteinte, le courant ne circule pas et le matériau est isolant électrique.

Tous les métaux sont conducteurs.
À l'exception du graphite et des métaux, tous les matériaux solides sont isolants.
L'eau pure n'est pas conductrice, mais elle le devient quand elle contient du sel.

Un interrupteur se comporte comme un conducteur quand il est fermé, et comme un isolant quand il est ouvert.
Un circuit n'est fermé que si tous ses composants sont conducteurs.

Symboles électriques :