Ressources · 5ᵉ · Physique
Électricité : conducteurs, isolants et sécurité
Conducteurs et isolants électriques, solides et liquides ; le court-circuit d’une lampe ou de la pile ; le corps humain conducteur, l’électrisation et les dangers du secteur ; fusible, disjoncteur, différentiel et prise de terre.
À propos de cette page
Conducteurs et isolants
En 6e, tu as testé des objets entre les deux pinces d’un circuit pile + lampe : la lampe brille si l’objet est conducteur, elle reste éteinte s’il est isolant. En 5e, on reprend ce classement, on l’étend aux liquides et on voit à quoi servent conducteurs et isolants dans les objets.
• Conducteurs : tous les métaux (cuivre, fer, acier, aluminium, zinc, laiton, or…) ; le graphite et la fibre de carbone, qui ne sont pas des métaux ; l’eau qui contient des sels dissous (eau salée, eau de mer ; l’eau du robinet conduit, mais mal) ; le corps humain.
• Isolants : les plastiques, le caoutchouc, le verre, la porcelaine, le bois sec, le papier, le tissu, l’huile, l’air sec. L’eau distillée, sans sels dissous, conduit très mal.
• Un isolant n’arrête pas le courant à n’importe quelle tension : sous une tension énorme, l’air se laisse traverser (c’est l’éclair de la foudre). Mouillé, un isolant comme le bois peut conduire un peu.
• Dans un objet électrique, le courant passe par les parties conductrices ; les parties que l’on touche sont isolantes.
Tester un solide ou un liquide
On place l’objet entre les deux pinces d’un circuit ouvert ; pour un liquide, on y plonge deux tiges métalliques (des électrodes) reliées aux pinces. Une lampe ne brille qu’avec un courant assez fort. Une DEL, avec sa résistance de protection, s’allume avec un courant bien plus faible : elle révèle les conducteurs médiocres, comme l’eau du robinet, que la lampe ne montre pas.
Je prévois, je teste, j’observe, je conclus. Je prévois : « l’eau distillée ne conduira pas ; avec du sel, elle conduira ; avec du sucre, je ne sais pas ». Je teste avec une DEL : de l’eau distillée, puis de l’eau distillée salée, puis de l’eau distillée sucrée. J’observe : la DEL ne s’allume qu’avec l’eau salée. Je conclus : c’est le sel dissous qui rend l’eau conductrice ; le sucre ne la rend pas conductrice.
Un même élément, deux comportements
Le graphite et le diamant sont tous les deux faits de carbone : le graphite conduit, le diamant est isolant. Ce n’est pas seulement de quoi le matériau est fait qui compte, mais aussi la façon dont il est organisé.
Conducteurs et isolants dans les objets
Un câble électrique contient des fils de cuivre (le courant passe) entourés chacun d’une gaine en plastique : les fils ne se touchent pas et la main est protégée. Les câbles des lignes à haute tension, en alliage d’aluminium, sont nus : c’est l’air qui les entoure qui les isole, et ils sont accrochés aux pylônes par des isolateurs en verre ou en porcelaine. Les électriciens utilisent des outils à manche isolant et des gants en caoutchouc.
Classer. Un anneau de porte-clés en acier fait s’allumer la DEL : l’acier est un métal, conducteur. Une paille en plastique ne l’allume pas : isolant.
Une multiprise. À l’intérieur, des lames de contact en laiton, un métal conducteur, transmettent le courant aux appareils ; le boîtier, que l’on touche, est en plastique isolant.
Réflexe — un métal, du graphite, de la fibre de carbone ? Conducteur. Un liquide ? Contient-il des sels dissous ? Sinon (plastique, caoutchouc, verre, bois sec, huile, air) : isolant.
Attention — un métal peint ou verni peut sembler isolant : la peinture isole, il faut toucher le métal nu. Et ne confonds pas avec les conducteurs thermiques du chapitre sur la chaleur : le diamant, isolant électrique, conduit très bien la chaleur.
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Le court-circuit
En 6e, tu as vu qu’un fil seul entre les deux bornes d’une pile est un court-circuit, à ne jamais faire. En 5e, on apprend à repérer un court-circuit sur un schéma, même quand il ne touche qu’une partie du circuit.
• Court-circuit d’un récepteur : un fil seul relie les deux bornes d’une lampe ; elle s’éteint, sans être grillée. Les récepteurs qui restent sur le chemin du courant fonctionnent plus fort : le courant est plus intense.
• Court-circuit de la pile : un chemin de fils sans aucun récepteur relie les deux bornes de la pile. Le courant devient très intense : les fils et la pile chauffent très vite (brûlure, incendie) et la pile s’use. C’est dangereux.
• Contourner tous les récepteurs d’une boucle revient à court-circuiter la pile.
Repérer un court-circuit sur un schéma
Je repère le fil seul et ses deux points de branchement (les points noirs). Entre ces deux points, quels dipôles sont contournés ? Puis je suis l’autre chemin, celui qui passe par la pile : s’il ne contient aucun récepteur, la pile est en court-circuit. Contourner un interrupteur fermé ne change rien ; contourner un interrupteur ouvert ferme la boucle, comme si on le fermait.
Je prévois, je teste, j’observe, je conclus. Je prévois : « si je relie par un fil les deux bornes d’une des deux lampes d’une boucle, elle s’éteindra et l’autre brillera davantage ». Je teste avec une pile plate, un interrupteur et deux lampes identiques. J’observe : la lampe court-circuitée s’éteint, l’autre brille plus fort. Je conclus : le courant passe par le fil seul, qui contourne la lampe. Cette expérience est sans danger : une lampe reste sur le chemin du courant.
Dans la vie courante
Un court-circuit se produit quand deux conducteurs qui ne devraient pas se toucher se touchent : deux fils dont les gaines sont abîmées, un objet en métal qui relie les bornes d’une pile (des piles en vrac dans une poche, avec des clés ou des pièces : on les garde plutôt dans leur emballage), de l’eau qui pénètre dans un appareil. Sur le secteur, un court-circuit provoque des étincelles et un échauffement brutal : c’est une cause fréquente d’incendie. C’est pour cela que l’installation est protégée (partie 4).
Moteur contourné. Une boucle contient une pile, un moteur et une lampe. On relie par un fil seul les deux bornes du moteur : il s’arrête, la lampe brille plus fort. La pile n’est pas en court-circuit : la lampe reste sur le chemin du courant.
Seule lampe contournée. Une boucle ne contient qu’une pile et une lampe. Un fil seul relie les deux bornes de la lampe : par les fils, il relie aussi les deux bornes de la pile. C’est un court-circuit de la pile : on débranche aussitôt.
Réflexe — je suis le chemin qui passe par la pile en empruntant le fil seul : y reste-t-il au moins un récepteur ? Oui : seuls les dipôles contournés s’arrêtent. Non : court-circuit de la pile, danger.
Attention — « court-circuit » ne veut pas dire « circuit coupé » : au contraire, le courant passe trop facilement. Une lampe court-circuitée n’est pas grillée : sans le fil, elle brille de nouveau.
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Le corps humain et les dangers du secteur
Les piles de la classe sont sans danger pour le corps ; le courant des prises de la maison, lui, peut tuer. La raison : le corps humain est conducteur.
• Le courant ne traverse le corps que si celui-ci ferme une boucle : une main touche un fil sous tension pendant que les pieds touchent le sol, ou les deux mains touchent deux fils.
• Électrisation : un courant traverse le corps et provoque des blessures plus ou moins graves (secousse, brûlures, muscles contractés qui empêchent de lâcher le fil, arrêt de la respiration ou du cœur). Électrocution : électrisation qui entraîne la mort.
• Le danger grandit avec la tension : piles de la classe (de 1,5 V à 9 V), sans danger ; prises de la maison, 230 V, danger de mort ; lignes à haute tension (de 63 000 V à 400 000 V) et caténaires des trains (1 500 V ou 25 000 V), danger même sans contact, car le courant peut sauter dans l’air : c’est un arc électrique. Il dépend aussi de l’humidité, de la durée et du trajet du courant (par le cœur, il est le plus grave).
La prise de courant
Une prise relie l’appareil à trois fils : la phase (le fil dangereux), le neutre et la terre (reliée au sol, elle aboutit à la broche de la prise). Couleurs des fils : terre vert et jaune, neutre bleu, phase d’une autre couleur (souvent rouge, marron ou noir). Toucher la phase en ayant les pieds au sol suffit pour être électrisé : le corps ferme la boucle jusqu’à la terre. Les prises récentes ont des obturateurs (éclipses) qui ferment les trous quand aucune fiche n’est branchée : un enfant ne peut pas y glisser un objet facilement.
Les règles de sécurité
- Ne jamais introduire d’objet dans une prise.
- Pas d’appareil branché touché avec des mains mouillées, ni utilisé près d’une baignoire, d’une douche ou d’une piscine.
- Débrancher un appareil avant de l’ouvrir, de le nettoyer ou de le réparer : l’éteindre ne suffit pas.
- Ne pas utiliser un câble ou une prise abîmés ; pour débrancher, tirer sur la fiche, jamais sur le câble.
- Rester loin des lignes électriques : jamais de cerf-volant près d’une ligne, aucun objet (canne à pêche, perche) à moins de 5 m des câbles ; ne jamais grimper sur un pylône, un poteau ou un wagon ; ne pas approcher un câble tombé au sol.
- Respecter le pictogramme du danger électrique : un triangle jaune bordé de noir, avec un éclair.
Si quelqu’un est électrisé
1. On ne le touche pas tant que le courant passe : on serait électrisé à son tour. 2. On coupe le courant (disjoncteur, prise débranchée). 3. On alerte : le 15 (Samu), le 18 (pompiers) ou le 112 (numéro d’urgence européen), et on reste près de la victime. Même si elle semble aller bien, elle doit voir un médecin : le courant peut brûler l’intérieur du corps.
Le grille-pain. Une tartine est coincée dans un grille-pain branché. La sortir avec un couteau en métal ? Non : le couteau est conducteur et peut toucher les parties sous tension. On débranche d’abord.
Le cerf-volant. On ne fait jamais voler un cerf-volant près d’une ligne électrique : si le fil touche un câble, ou s’en approche assez pour qu’un arc jaillisse, le courant peut le parcourir jusqu’à la main et traverser le corps jusqu’au sol.
Réflexe — avant de toucher : est-ce relié au secteur ? Mon corps pourrait-il fermer une boucle (un fil et le sol, deux fils) ? Y a-t-il de l’eau ? Dans le doute, je débranche ou je coupe le courant.
Attention — un appareil éteint mais branché reste relié au secteur. Et près d’une ligne à haute tension, pas besoin de toucher le câble pour être électrisé.
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Se protéger : fusible, disjoncteur, différentiel et terre
Quand le courant devient trop intense, les fils chauffent ; quand il traverse une personne, il peut la tuer. L’installation électrique d’une maison contient des dispositifs qui coupent le courant tout seuls dans ces deux cas.
• Le fusible contient un fil fin qui fond quand le courant est trop intense : le circuit s’ouvre. On cherche la cause, puis on le remplace par un fusible identique.
• Le disjoncteur s’ouvre tout seul dans les mêmes cas ; une fois la cause supprimée, on le réarme. Fusibles et disjoncteurs protègent les fils et les appareils.
• Le différentiel (interrupteur ou disjoncteur différentiel) coupe dès qu’une partie du courant fuit hors du circuit normal, par exemple à travers une personne vers le sol : il protège les personnes.
• La prise de terre : la carcasse métallique de certains appareils (lave-linge, four, réfrigérateur) est reliée au sol par le fil vert et jaune. Si un fil abîmé touche la carcasse, le courant de fuite part dans la terre et le différentiel coupe aussitôt. Les appareils à double isolation (symbole : un carré dans un carré) n’ont pas besoin de terre.
Le fusible dans un circuit
Un fusible ne protège que s’il est sur le chemin du courant : un fil seul qui contournerait aussi le fusible le priverait de tout effet. Le fusible et le disjoncteur réagissent à un courant trop intense pour les fils ; ils ne voient pas le faible courant qui traverse une personne.
Le tableau électrique
Près du compteur, le disjoncteur de branchement permet de couper le courant de toute la maison. Dans le tableau électrique, chaque circuit (prises de la cuisine, éclairage des chambres…) a son propre disjoncteur : un défaut ne coupe que ce circuit, les autres pièces gardent le courant. Des interrupteurs différentiels protègent les personnes. C’est au tableau qu’on coupe le courant avant tout travail.
Surcharge. Le four à micro-ondes, la bouilloire et la cafetière sont branchés sur la même multiprise : le disjoncteur des prises de la cuisine coupe. On débranche un des appareils, puis on réarme, et on ne fait plus fonctionner les trois en même temps. Le brancher sur une autre prise de la cuisine ne servirait à rien : c’est le même circuit, protégé par le même disjoncteur.
Fusible fondu. Le fusible d’une guirlande a fondu. On cherche la cause, puis on le remplace par un fusible identique ; jamais par un trombone ou du papier d’aluminium, qui ne fondraient pas : plus aucune protection.
Réflexe — qui faut-il protéger ? Les fils et les appareils, contre l’incendie (court-circuit, surcharge) : fusible ou disjoncteur. Les personnes, contre l’électrisation (fuite de courant) : différentiel et prise de terre.
Attention — le fusible et le disjoncteur ne protègent pas une personne qui touche la phase : le courant qui la traverse, dangereux pour elle, est bien trop faible pour les faire réagir. C’est le différentiel qui la protège.
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Pour aller plus loin
Mesurer le courant et la tension. L’intensité du courant se mesure en ampères (A) avec un ampèremètre, la tension en volts (V) avec un voltmètre : voir en 4e « Tension et intensité : mesurer au voltmètre et à l’ampèremètre ». C’est en ampères qu’on lit le calibre d’un fusible ou d’un disjoncteur.
Plusieurs boucles. Les prises d’une maison sont branchées en dérivation ; le court-circuit dans un circuit à plusieurs branches se verra en 4e : « Circuits électriques : série, dérivation et lois ».
Puissance et intensité maximale. Pourquoi une multiprise surchargée chauffe, avec des calculs de puissance et d’intensité : en 3e, « Puissance électrique : P = U × I ».
Pourquoi les métaux conduisent-ils ? La réponse tient aux électrons des atomes, étudiés en 3e : « Atome : noyau, électrons et neutralité ».
Chaleur et courant. Laisser passer la chaleur, ce n’est pas laisser passer le courant : voir « Énergie : transferts thermiques, chaleur et température ». Revoir la 6e : « Électricité : le circuit électrique à une boucle ».
- Conducteurs : tous les métaux, le graphite, l’eau qui contient des sels dissous, le corps humain. Isolants : plastiques, caoutchouc, verre, bois sec, huile, air sec ; l’eau distillée conduit très mal.
- Un fil seul qui relie deux points d’un circuit court-circuite les dipôles qu’il contourne : une lampe court-circuitée s’éteint, les autres récepteurs fonctionnent plus fort.
- Court-circuit de la pile (aucun récepteur sur le chemin) : courant très intense, fils et pile qui chauffent, danger de brûlure et d’incendie.
- Le corps humain est conducteur, surtout mouillé : s’il ferme une boucle avec le secteur (230 V), c’est l’électrisation, parfois mortelle (électrocution). Près des lignes, danger même sans contact.
- Fusible (il fond) et disjoncteur (on le réarme) coupent un courant trop intense et protègent les fils ; le différentiel et la prise de terre protègent les personnes.
Questions fréquentes
Quels matériaux sont conducteurs et lesquels sont isolants ?
Conducteurs : tous les métaux, le graphite, l’eau qui contient des sels dissous (eau salée, eau du robinet, qui conduit mal) et le corps humain. Isolants : plastiques, caoutchouc, verre, porcelaine, bois sec, papier, huile et air sec. L’eau distillée conduit très mal.
Qu’est-ce qu’un court-circuit ?
Deux points d’un circuit reliés par un fil seul, sans récepteur entre eux : le courant passe par le fil. Une lampe court-circuitée s’éteint et les autres récepteurs fonctionnent plus fort. Si plus aucun récepteur n’est sur le chemin, c’est un court-circuit de la pile : le courant devient très intense, fils et pile chauffent, c’est dangereux.
Pourquoi le courant des prises est-il dangereux pour le corps ?
Le corps humain est conducteur, surtout mouillé. S’il ferme une boucle (la phase et le sol, ou deux fils), le courant du secteur, sous 230 V, le traverse : brûlures, muscles contractés, arrêt de la respiration ou du cœur. Les piles de la classe, de quelques volts, sont sans danger.
Quelle est la différence entre électrisation et électrocution ?
L’électrisation, c’est le passage d’un courant dans le corps, qui provoque des blessures plus ou moins graves ; l’électrocution est une électrisation qui entraîne la mort. Face à une personne électrisée : ne pas la toucher, couper le courant, appeler le 15, le 18 ou le 112.
À quoi servent le fusible, le disjoncteur et le différentiel ?
Le fusible (il fond) et le disjoncteur (on le réarme) coupent un courant trop intense, dû à un court-circuit ou à une surcharge : ils protègent les fils contre l’incendie. Le différentiel coupe dès qu’une partie du courant fuit, vers la terre ou à travers une personne : avec la prise de terre, il protège les personnes.
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