Conducteurs et isolants : cours de physique-chimie 5e

Tu as déjà vu un circuit électrique simple : une pile, une lampe, des fils, parfois un interrupteur. Tu sais que la lampe ne brille que si le circuit forme une boucle complète, sans coupure. Mais de quoi sont faits les fils ? Pourquoi les prises et les câbles de la maison ont-ils une partie métallique et une partie en plastique ? Pourquoi ne touche-t-on pas un fil dénudé avec les doigts ?

La réponse tient à une idée simple : tous les matériaux ne se comportent pas de la même façon face au courant électrique. Certains le laissent passer très bien, d'autres pas du tout. Dans ce cours, tu vas apprendre à distinguer ces deux familles, à les tester toi-même avec un montage facile, et à comprendre pourquoi ce classement protège dans la vie de tous les jours.

Cette notion s'appuie sur ce que tu as déjà vu : le circuit électrique simple, et les circuits en série et en dérivation. On y ajoute un regard nouveau : on ne s'intéresse plus seulement à la forme du circuit, mais à la matière dont sont faits ses éléments. Les enseignants de l'école et du collège relient d'ailleurs cette distinction aux règles de sécurité : savoir quel matériau protège, et lequel ne protège pas, est utile bien au-delà du cours de sciences.³

Ces deux mots s'opposent : le contraire d'un isolant est un conducteur.⁵ Quand on classe les matériaux en deux catégories, on obtient donc deux « bacs » : le bac des bons conducteurs et le bac des isolants. C'est exactement ce que font les élèves de l'école primaire lors d'un tri d'objets avec deux bacs étiquetés.¹

Pour savoir si un objet conduit le courant, on ne devine pas : on le teste. Le principe est de laisser une coupure volontaire dans un circuit simple, puis de la fermer avec l'objet à tester. La lampe sert de témoin : elle indique si le courant passe.

Un point important dans la pratique : le contact entre les conducteurs doit être bien réalisé. Quand on schématise un circuit, on représente d'ailleurs ce contact avec soin.¹ Un mauvais contact peut faire croire qu'un conducteur est un isolant.

Beaucoup d'élèves disent « cet objet est conducteur » comme s'il s'agissait d'une étiquette collée à l'objet. Les enseignants constatent d'ailleurs cette confusion : on associe souvent le caractère conducteur à l'objet, au lieu de l'associer à la substance qui le compose.²

Cette idée explique aussi pourquoi les objets du quotidien associent souvent plusieurs matières. Un fil électrique, par exemple, contient une partie qui conduit et une enveloppe qui isole. Dans les installations domestiques, on trouve en général deux fils conducteurs dans un même câble.² L'enveloppe isolante empêche le courant de passer d'un fil à l'autre, ce qui correspond à la fonction même d'un isolant.⁵

Les scientifiques savent que le classement en deux familles est un modèle simple. Il marche très bien pour les métaux, qui sont classés comme conducteurs, et pour beaucoup de matériaux du quotidien. Mais certains cas demandent plus de prudence. L'exemple classique est celui de l'eau du robinet.

Avec une ampoule comme témoin, l'eau du robinet se classe comme isolante. Avec un témoin plus sensible, une diode électroluminescente (DEL), elle peut au contraire se classer comme conductrice.² Le résultat dépend donc de l'instrument utilisé. Ce n'est pas une contradiction : l'ampoule demande un courant assez fort pour briller, alors que la DEL réagit à un courant plus faible.

Si tout était conducteur, le courant passerait n'importe où et un circuit ne pourrait pas être guidé. Les isolants sont indispensables : ils séparent les parties conductrices et canalisent le courant là où on le souhaite. Dans un circuit comme dans un appareil électrique, ils sont placés exactement aux endroits où le courant ne doit pas passer.⁵

Les isolants ne sont pas tous solides. Une huile isolante est employée dans les transformateurs, et un gaz isolant dans certains postes électriques placés sous une enveloppe métallique.⁵ Cela montre qu'un isolant peut être solide, liquide ou gazeux.

Le monde des matériaux ne se limite pas à deux cases. Certains matériaux, les semi-conducteurs, ont une conductivité intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants.⁴ Ils sont à la base de nombreux composants électroniques, dont les DEL que tu as rencontrées plus haut. Tu les étudieras plus tard : au collège, on s'en tient au classement en conducteurs et isolants.

Autre nuance : conduire l'électricité et conduire la chaleur ne vont pas toujours ensemble. Un bon conducteur électrique est en général aussi un bon conducteur de la chaleur. Mais l'inverse n'est pas toujours vrai : le diamant, par exemple, conduit bien la chaleur tout en étant un isolant électrique.⁵ Ne déduis donc jamais les deux propriétés l'une de l'autre sans les avoir vérifiées.