Comprendre la conductivité : quels matériaux laissent passer la chaleur ou l'électricité ?
Je sais expliquer que certains matériaux laissent passer facilement la chaleur ou l'électricité (conducteurs) et d'autres non (isolants), et je sais le prouver par une expérience.
Ce que dit la fiche
Les points essentiels
- La conductivité est la capacité d'un matériau à laisser passer facilement la chaleur (conductivité thermique) ou le courant électrique (conductivité électrique).
- Un matériau conducteur laisse passer facilement la chaleur ou l'électricité ; un matériau isolant les laisse passer très difficilement.
- Les métaux (cuivre, fer, aluminium, argent) sont de bons conducteurs de chaleur et d'électricité. Le plastique, le bois, le verre, le caoutchouc et la laine sont de bons isolants.
- Un même matériau peut être bon conducteur d'une sorte d'énergie et pas de l'autre : le verre est un mauvais conducteur électrique, et il conduit la chaleur bien moins que les métaux.
- Pour tester la conductivité électrique, on place le matériau dans un circuit simple avec pile, ampoule et fils : si l'ampoule s'allume, le matériau est conducteur ; sinon, il est isolant.
- Pour comparer la conductivité thermique, on place des objets de même forme dans de l'eau chaude et on observe lequel chauffe le plus vite à l'autre extrémité.
- La sensation de froid ou de chaud au toucher ne mesure pas la température : un objet métallique paraît plus froid qu'un objet en bois à la même température parce qu'il évacue la chaleur de la main plus vite.
- On choisit un matériau selon l'usage : conducteur pour la poignée de rien du tout mais pour le fond d'une casserole ou les fils électriques, isolant pour le manche de la casserole et la gaine des fils.
Les mots à connaître
- Conductivité
- Propriété d'un matériau qui indique avec quelle facilité il laisse passer la chaleur ou l'électricité.
- Matériau conducteur
- Matériau qui laisse passer facilement la chaleur ou le courant électrique, comme le cuivre ou l'aluminium.
- Matériau isolant
- Matériau qui laisse passer très difficilement la chaleur ou le courant électrique, comme le plastique, le bois ou le verre.
La méthode, étape par étape
- Poser la question de recherche précise : on veut savoir si le matériau laisse passer l'électricité ou la chaleur (on teste une seule propriété à la fois).
- Choisir le dispositif adapté : circuit avec pile, ampoule et fils pour l'électricité ; tiges de même taille plongées dans de l'eau chaude pour la chaleur.
- Ne changer qu'un seul élément à la fois (le matériau testé) et garder tout le reste identique : même taille, même source, même durée.
- Observer et noter le résultat : l'ampoule s'allume ou non ; la chaleur arrive ou non à l'autre bout après la même durée.
- Conclure en reliant le résultat à la propriété : si l'ampoule s'allume, le matériau est conducteur électrique ; sinon, il est isolant électrique.
Des exemples résolus
Léa construit un circuit avec une pile, une ampoule et deux fils. Elle intercale successivement une cuillère en métal, une règle en plastique et un morceau de bois. L'ampoule s'allume seulement avec la cuillère. Que peut-elle conclure ?
On regarde ce qui se passe pour chaque matériau. Avec la cuillère en métal, l'ampoule s'allume : le courant passe, donc le métal est conducteur électrique. Avec le plastique et le bois, l'ampoule reste éteinte : le courant ne passe pas, donc ce sont des isolants électriques. Conclusion : le métal conduit l'électricité, le plastique et le bois non.
Tom plonge dans un bol d'eau chaude, pendant 2 minutes, une cuillère en métal, une cuillère en bois et une cuillère en plastique de même longueur. Il pose le doigt sur le bout qui dépasse. Le métal est très chaud, le plastique tiède, le bois à peine tiède. Classe les matériaux et explique pourquoi on prend un manche en bois pour une casserole.
Même durée, même longueur, même eau : seule la matière change, donc la comparaison est juste. Le bout du métal est le plus chaud : la chaleur y est arrivée vite, c'est le meilleur conducteur thermique. Le plastique vient ensuite, le bois est le plus isolant. Classement du plus au moins conducteur : métal, plastique, bois. Un manche en bois (ou en plastique) laisse peu passer la chaleur : on peut tenir la casserole sans se brûler, alors que le fond en métal transmet bien la chaleur aux aliments.
Les pièges à éviter
- Erreur : croire qu'un objet métallique est plus froid qu'un objet en bois dans la même pièce. Rectification : ils ont la même température ; le métal paraît plus froid car, bon conducteur, il prend la chaleur de la main plus vite que le bois, qui est isolant.
- Erreur : penser que tous les matériaux conducteurs de chaleur conduisent aussi bien l'électricité, ou que tout métal est conducteur sans exception pour tout. Rectification : on doit tester la propriété demandée ; par exemple le verre conduit mal l'électricité et un objet peint ou verni peut bloquer le courant à cause de sa couche isolante.
Teste-toi
Dans un circuit simple, l'ampoule reste éteinte quand on place une gomme entre les deux fils. La gomme est-elle conductrice ou isolante électrique ? Justifie.
Voir la réponse
La gomme est isolante électrique.
Si la gomme était conductrice, le courant passerait dans le circuit fermé et l'ampoule s'allumerait. Comme l'ampoule reste éteinte, le courant ne passe pas : la gomme laisse très difficilement passer l'électricité, c'est un isolant.
On veut comparer la conductivité thermique de trois tiges (cuivre, bois, plastique). Cite deux conditions à garder identiques pour que le test soit juste.
Voir la réponse
Par exemple : la même longueur (et la même épaisseur) des tiges, et la même durée dans la même eau chaude.
Pour comparer des matériaux, un seul paramètre doit changer : la matière. Si la taille, la durée ou la température de l'eau variaient aussi, on ne saurait pas si la différence vient du matériau ou de ces autres facteurs.
Pourquoi les fils électriques sont-ils faits de cuivre à l'intérieur et de plastique à l'extérieur ?
Voir la réponse
Le cuivre est un bon conducteur qui laisse passer le courant ; le plastique est un isolant qui protège les personnes.
Le cuivre à l'intérieur permet au courant de circuler facilement jusqu'à l'appareil. Le plastique autour empêche le courant de passer dans la main ou vers un autre objet : on évite ainsi les chocs électriques et les courts-circuits.
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