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 ;
• 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.
Pour comparer les matériaux, on utilise la conductivité, notée σ ; son inverse est la résistivité, notée ρ. On distingue :
• les bons conducteurs : métaux purs (argent, cuivre, aluminium...) et alliages (maillechort, constantan, nichrome...) ;
• les isolants, très mauvais conducteurs : plastiques, verre, bois sec, céramique ;
• les semiconducteurs (silicium, germanium), de conductivité intermédiaire : ce sont les matériaux des diodes, des transistors et des puces.
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.
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