Conductibilité électrique
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• distinguer un bon conducteur d'un mauvais conducteur et comparer des conductibilités ;
• expliquer ce qu'est la résistance d'un conducteur et de quoi elle dépend ;
• mesurer une résistance avec un ohmmètre ;
• expliquer le fonctionnement d'un rhéostat ;
• définir la résistivité d'un matériau ;
• dire comment la résistance varie avec la température.
Prérequis : circuit électrique, conducteurs et isolants, électrons libres (1ère année).
Situation de départ
Les fils électriques de la maison sont en cuivre, le filament d'une lampe en tungstène, la « résistance » d'un fer à repasser en nichrome, et les prises sont en plastique. Pourquoi pas des fils en fer, moins chers ? Pourquoi la « résistance » chauffante ne fond-elle pas ? Tous les matériaux ne laissent pas passer le courant de la même façon.
I. Conducteurs et isolants
On place entre deux pinces A et B d'un circuit (générateur, lampe, ampèremètre) différents échantillons. Avec un métal, une mine de graphite ou de l'eau salée, la lampe brille : ce sont des conducteurs. Avec du verre, du plastique ou du bois sec, il ne se passe apparemment rien : ce sont des isolants.
Pourtant, sous une tension de plusieurs milliers de volts, un microampèremètre détecte un très faible courant dans un isolant : un isolant conduit très faiblement le courant.
II. La conductibilité électrique
Plaçons maintenant entre A et B des fils de mêmes dimensions mais de matières différentes : l'intensité n'est pas la même.
La conductibilité électrique caractérise la facilité avec laquelle un matériau se laisse traverser par le courant. Le cuivre est meilleur conducteur que le fer, lui-même meilleur conducteur que le nichrome. Tous les métaux sont de bons conducteurs, mais ils n'ont pas tous la même conductibilité.
III. La résistance électrique
1. Interprétation : des électrons freinés
Dans un métal, le courant est un mouvement d'ensemble des électrons libres. Ceux-ci heurtent sans cesse les ions fixes du métal : leur mouvement est freiné. Il en résulte un courant plus faible et un dégagement de chaleur (effet Joule), comme un frottement. Dans une solution conductrice, ce sont les ions qui se déplacent, et ils sont freinés eux aussi.
La résistance R d'un conducteur est la grandeur qui caractérise son opposition au passage du courant, c'est-à-dire le freinage des porteurs de charges (électrons libres ou ions). Elle s'exprime en ohm (Ω) ; 1 kΩ = 103 Ω et 1 MΩ = 106 Ω.
2. Influence des dimensions du conducteur
Avec un fil de nichrome pris entre les pinces, on éloigne la pince B : l'intensité diminue. La résistance d'un fil augmente avec sa longueur ; mesurée à l'ohmmètre, elle lui est même proportionnelle.
Avec des fils de même matière et de même longueur, le plus épais laisse passer le plus grand courant : la résistance diminue quand la section augmente.
La résistance d'un conducteur :
• dépend de la nature du matériau ;
• augmente avec sa longueur ;
• diminue quand sa section augmente.
Dans un réchaud, un fer à repasser ou un radiateur, l'élément chauffant est un fil d'alliage peu conducteur (nichrome, ferronickel) qui peut rougir sans fondre. Dans le commerce, on l'appelle une « résistance », par exemple « 800 W - 220 V ». Il est isolé par du mica ou de la céramique.
3. Mesurer une résistance : l'ohmmètre
On mesure une résistance avec un ohmmètre, en général une fonction du multimètre (sélecteur sur Ω) :
1. débrancher le dipôle de son circuit et choisir le plus grand calibre ;
2. relier ses bornes aux bornes COM et Ω de l'appareil : le sens du branchement n'a pas d'importance ;
3. descendre jusqu'au calibre le mieux adapté (le plus petit calibre supérieur à la valeur) ;
4. lire la valeur en tenant compte de l'unité affichée (Ω, kΩ ou MΩ).
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