Conducteurs et isolants : test de conduction, métaux, solutions ioniques et sécurité

Ce qui laisse passer et ce qui bloque

Regardez un fil électrique de plus près : un cœur de cuivre brillant, entouré d’une gaine de plastique coloré. Deux matériaux, choisis pour des raisons exactement opposées. Le cuivre est là pour laisser passer le courant sur toute la longueur du fil ; le plastique est là pour l’empêcher de sortir, de sauter vers le fil voisin ou d’atteindre la main qui tient le câble.

Cette opposition traverse toute l’électricité. Les prises sont en plastique avec des contacts métalliques ; les pylônes haute tension portent leurs câbles de métal au bout de longues chaînes de verre ; les électriciens portent des gants de caoutchouc et des chaussures à semelle isolante. Chaque fois, il s’agit de placer un conducteur là où le courant doit aller et un isolant partout où il ne doit pas aller.

Le programme de 5e demande de savoir tester expérimentalement si un matériau est conducteur, d’en connaître des exemples, et de comprendre les conséquences pour la sécurité. Le programme de 3e ajoute l’explication : les électrons libres des métaux et les ions des solutions. Cette page couvre les deux niveaux, avec le protocole de test, les données de référence et les règles de sécurité.

Le test de conduction

Le classement ne se devine pas : il se mesure. Le montage est le plus simple de toute l’électricité, et il suffit à trancher.

Ce test a une limite qu’il faut connaître : une lampe ne s’allume que si l’intensité dépasse quelques dizaines de milliampères. Un matériau faiblement conducteur, comme l’eau du robinet ou le corps humain, laisse passer un courant trop petit pour faire briller la lampe, et le test le classerait à tort parmi les isolants. Pour ces cas, on remplace la lampe par un multimètre en position ohmmètre, ou l’on utilise une DEL avec son résistor, beaucoup plus sensible.

Le classement des matériaux

Le test, répété sur une série d’objets, donne toujours le même classement. Il n’y a pas d’exception ni de cas limite pour les matériaux usuels du collège.

Matériau	Conducteur ou isolant	Objets du quotidien
Argent	conducteur (le meilleur)	contacts de précision, bijoux
Cuivre	conducteur	fils électriques, tuyaux, pièces
Or	conducteur	connecteurs électroniques, bijoux
Aluminium	conducteur	canettes, papier alu, lignes haute tension
Fer, acier	conducteur	clous, clés, outils, carrosseries
Graphite (mine de crayon)	conducteur	mines de crayon, électrodes
Eau salée, eau du robinet	conducteur (faible)	mer, piscine, sueur, robinet
Corps humain	conducteur (faible)	—
Eau pure (distillée)	très mauvais conducteur	eau déminéralisée, fers à repasser
Bois sec	isolant	manches d’outils, meubles
Verre	isolant	isolateurs de pylônes, vitres
Céramique, porcelaine	isolant	isolateurs, bougies d’allumage
Plastique, PVC	isolant	gaines de fils, prises, boîtiers
Caoutchouc	isolant	gants, semelles, tapis
Air sec	isolant	espace entre les câbles aériens

Sources : résistivités d’après le CRC Handbook of Chemistry and Physics, 104^e édition ; norme NF C 18-510 pour la résistance du corps humain.

Deux régularités se dégagent. D’abord, tous les métaux sont conducteurs, sans exception : c’est la propriété qui définit un métal, avec l’éclat et la malléabilité. Ensuite, la plupart des matières organiques sèches (bois, plastique, papier, tissu) et des matériaux minéraux non métalliques (verre, céramique, pierre) sont isolants. Le graphite est la grande exception : c’est un non-métal conducteur, ce qui en fait un matériau précieux pour les électrodes et les balais de moteurs.

Pourquoi les métaux conduisent : les électrons libres

Le test dit ce qui conduit ; le modèle des atomes dit pourquoi. Pour qu’un courant existe, il faut des charges électriques libres de se déplacer à l’intérieur du matériau. Tout se joue là.

Dans un métal, les atomes sont rangés en réseau régulier, et chacun abandonne un ou plusieurs électrons de sa couche externe. Ces électrons ne sont plus attachés à un atome précis : ils circulent dans tout le morceau de métal, comme un gaz. On les appelle les électrons libres, et ce qui reste de chaque atome est un ion positif fixe dans le réseau. Le morceau reste globalement neutre : autant de charges positives immobiles que d’électrons négatifs mobiles.

Tant qu’aucun générateur n’est branché, ces électrons se déplacent dans tous les sens au hasard : il n’y a pas de courant, car il ne passe pas plus d’électrons dans un sens que dans l’autre. Dès qu’un générateur impose une tension, tous acquièrent un léger déplacement d’ensemble dans la même direction : c’est le courant électrique.

Dans un isolant, au contraire, tous les électrons restent liés à leur atome ou à leur molécule. Aucune charge ne peut traverser le matériau, et le courant ne passe pas, même sous une tension importante — jusqu’à un certain point, comme on le verra plus bas.

Cette différence se chiffre par la résistivité, la grandeur qui mesure l’opposition d’un matériau au passage du courant. L’écart entre conducteurs et isolants y est vertigineux :

Matériau	Résistivité (Ω·m)	Rapport au cuivre
Argent	1,6 × 10⁻⁸	0,95
Cuivre	1,7 × 10⁻⁸	1
Aluminium	2,7 × 10⁻⁸	1,6
Fer	9,7 × 10⁻⁸	5,8
Graphite	10⁻⁵ à 10⁻⁴	environ 10³
Eau de mer	0,2	10⁷
Eau du robinet	20 à 2 000	10⁹ à 10¹¹
Eau pure	2 × 10⁵	10¹³
Verre	10¹⁰ à 10¹⁴	10¹⁸ à 10²²
Caoutchouc, PVC	10¹³ à 10¹⁶	10²¹ à 10²⁴

Source : CRC Handbook of Chemistry and Physics, 104^e édition, sections « Electrical resistivity of pure metals » et « Properties of insulators ».

Entre le cuivre et le caoutchouc, le rapport atteint 10²⁴, soit mille milliards de milliards. Aucune autre propriété physique ne présente un tel écart entre deux matériaux courants : les masses volumiques varient d’un facteur mille, les températures de fusion d’un facteur cent. C’est cette démesure qui rend l’électricité maîtrisable : on peut canaliser le courant avec une précision absolue.

La résistivité relie ce chapitre à celui de la résistance électrique : la résistance d’un fil vaut ρ × L / S, où ρ est cette résistivité. Un fil de cuivre a une résistance négligeable ; la même longueur de plastique aurait une résistance de plusieurs millions de milliards d’ohms.

Exemple 1 — Trier une boîte d’objets

On teste : une cuillère en inox, une gomme, un trombone, un morceau de craie, une mine de crayon à papier, un bracelet en argent, une paille en plastique, une pièce de monnaie. Classer et justifier.

Conducteurs : cuillère en inox, trombone, mine de crayon, bracelet en argent, pièce de monnaie. Les quatre premiers sont des métaux ou du graphite ; la pièce est un alliage métallique. Isolants : gomme (caoutchouc), craie (carbonate de calcium), paille (plastique). La mine de crayon surprend souvent : bien qu’elle ne soit pas métallique, le graphite possède des électrons libres et conduit le courant.

Les solutions ioniques conduisent aussi (3e)

Les métaux ne sont pas les seuls conducteurs. Plongez deux électrodes dans un verre d’eau salée, reliez-les au circuit de test : la lampe s’allume. Recommencez avec de l’eau sucrée : elle reste éteinte. Pourtant les deux solutions sont limpides et se ressemblent.

L’explication tient au type de particules dissoutes. Le sucre se dissout sous forme de molécules neutres, sans charge : rien ne peut transporter de courant. Le sel se dissout en se séparant en ions : des ions sodium Na⁺ positifs et des ions chlorure Cl⁻ négatifs, libres de se déplacer dans le liquide. Sous l’effet du générateur, les ions positifs migrent vers une électrode et les négatifs vers l’autre : ce double déplacement constitue le courant.

On retient donc deux mécanismes de conduction, selon le milieu :

$$\begin{array}{l}\text{dans un métal :}\text{des}\text{électrons libres}\text{(charges négatives)}\\ \text{dans une solution :}\text{des}\text{ions}\text{positifs et négatifs}\end{array}$$

Cette distinction explique une observation du quotidien : l’eau pure (distillée, déminéralisée) est un très mauvais conducteur, parce qu’elle ne contient presque pas d’ions. C’est l’eau du robinet, de mer, de piscine ou de pluie qui conduit, à cause des sels dissous qu’elle transporte. Plus une eau est minéralisée, meilleure conductrice elle est : l’eau de mer, à 35 g de sel par litre, conduit cent fois mieux que l’eau du robinet. Les ions et leur comportement sont détaillés sur la page consacrée aux ions, acides et bases.

Exemple 2 — Eau salée, eau sucrée, eau pure

On teste trois solutions limpides avec un multimètre en position ohmmètre, électrodes espacées de 1 cm. On lit : solution A, 12 Ω ; solution B, « OL » (résistance trop grande) ; solution C, 3 000 Ω. Identifier les trois solutions.

A (12 Ω) : très bonne conduction, beaucoup d’ions : c’est de l’eau salée concentrée. B (OL) : pratiquement aucune conduction, donc pas d’ions libres : c’est de l’eau sucrée (molécules neutres) ou de l’eau distillée. C (3 000 Ω) : conduction faible mais réelle, quelques ions : c’est de l’eau du robinet, avec ses sels minéraux. Le test à la lampe n’aurait distingué que A des deux autres : l’ohmmètre est bien plus sensible.

Sécurité : pourquoi cela compte

Tout ce chapitre converge vers une conclusion pratique. Le corps humain est conducteur : constitué à 60 % d’eau chargée de sels minéraux, il contient des ions en abondance. Sa résistance dépend surtout de l’état de la peau, qui forme la principale barrière.

Situation	Résistance du corps	Intensité sous 230 V	Conséquence
Peau très sèche, contact bref	environ 100 000 Ω	2 mA	perception, picotement
Peau sèche normale	environ 10 000 Ω	23 mA	non-lâcher, contraction musculaire
Peau humide	environ 2 000 Ω	115 mA	risque vital de fibrillation
Peau mouillée, main dans l’eau	environ 1 000 Ω	230 mA	mortel

Sources : norme NF C 18-510 et norme internationale CEI 60479-1.

Le tableau montre l’essentiel : l’eau multiplie le danger par cent. C’est pourquoi les prises sont interdites à proximité d’une baignoire, pourquoi on ne touche pas un appareil branché avec les mains mouillées, pourquoi les prises extérieures sont munies d’un volet, et pourquoi la tension limite de sécurité tombe de 50 V à 25 V en milieu humide. La page sur la tension électrique détaille ces seuils, et celle sur le court-circuit les protections qui en découlent.

Les équipements de protection exploitent directement le classement de ce chapitre : gants et tapis en caoutchouc, manches d’outils en plastique, semelles isolantes, perches de manœuvre en fibre de verre. À l’inverse, la prise de terre est un conducteur volontaire : un fil de cuivre relié à un piquet enfoncé dans le sol, qui offre au courant de fuite un chemin bien plus facile que le corps humain.

Exemple 3 — Pourquoi les oiseaux ne sont-ils pas électrocutés ?

Un pigeon posé sur un câble de ligne haute tension, sans aucune isolation, ne ressent rien. Pourquoi ?

Parce qu’il touche un seul point du circuit. Pour qu’un courant traverse son corps, il faudrait une différence d’état électrique entre deux points de contact, donc qu’il touche deux fils, ou un fil et la terre. Ses deux pattes sont sur le même câble, séparées de quelques centimètres : la tension entre elles est quasi nulle, et il est de toute façon bien plus résistant que le cuivre, qui offre au courant un chemin infiniment plus facile. En revanche, un grand rapace dont les ailes déployées touchent deux fils à la fois est électrocuté instantanément : c’est un court-circuit entre phases. Les gestionnaires de réseau installent pour cela des écarteurs et des perchoirs isolés.

Exemple 4 — Le fil électrique

Analyser le choix des matériaux d’un câble d’alimentation : âme en cuivre de 1,5 mm², gaine en PVC, connecteur en laiton doré.

Cuivre : excellent conducteur (1,7 × 10⁻⁸ Ω·m), le meilleur rapport conductivité-prix ; sa section de 1,5 mm² est calculée pour supporter 16 A sans échauffement. PVC : isolant à 10¹⁴ Ω·m, soit 10²² fois plus résistant, il empêche tout courant de sortir, protège du contact et évite les courts-circuits entre les fils voisins. Laiton doré : le laiton (cuivre + zinc) est conducteur et mécaniquement résistant pour supporter les branchements répétés ; la fine couche d’or empêche l’oxydation, qui finirait par créer une couche isolante et un mauvais contact.

Un peu d’histoire

La distinction est formulée en 1729 par l’Anglais Stephen Gray, qui découvre que l’électricité produite par frottement peut être transportée à distance. Il relie un tube de verre électrisé à une balle d’ivoire par un fil de chanvre, et constate que la balle attire des paillettes d’or à plusieurs mètres. En variant les matériaux, il établit la première liste de ce qu’il appelle les corps qui « transmettent la vertu électrique » et ceux qui ne la transmettent pas.

Le vocabulaire vient de Jean-Théophile Desaguliers, qui propose en 1739 les mots conducteur et isolant (insulator, de insula, l’île : le corps isolé est comme entouré d’eau). Gray réussit même l’expérience spectaculaire du « garçon volant » : un enfant suspendu par des cordes de soie isolantes, électrisé, attire des feuilles d’or par le bout des doigts.

L’explication par les électrons libres attend le XX^e siècle : Paul Drude propose en 1900, trois ans après la découverte de l’électron par Thomson, un modèle où les électrons des métaux se comportent comme un gaz circulant entre des ions fixes. Ce modèle, affiné par la mécanique quantique, reste celui qu’on enseigne au collège et au lycée. C’est aussi lui qui a permis, à partir de 1947, de concevoir les semi-conducteurs comme le silicium, matériaux intermédiaires dont on contrôle la conductivité et qui ont donné le transistor, la diode et toute l’électronique moderne.

Les erreurs classiques

Croire que l’eau conduit toujours. L’eau pure est presque isolante. Ce sont les ions dissous qui conduisent : l’eau du robinet, de mer, la sueur.

Croire que le sucre dissous conduit. Le sucre se dissout en molécules neutres : aucune charge libre, aucune conduction. Seuls les solutés qui donnent des ions rendent l’eau conductrice.

Penser que le graphite est isolant parce qu’il n’est pas métallique. La mine de crayon conduit : c’est l’exception non métallique la plus utile à connaître.

Conclure « isolant » sans vérifier le contact. Peinture, vernis, oxyde ou plastique de gainage empêchent la pince de toucher le métal ; il faut pincer une partie nue.

Croire qu’un isolant isole quelle que soit la tension. Au-delà d’un seuil, il claque : l’air conduit à partir de 30 000 V/cm, d’où l’étincelle et l’éclair.

Penser que le corps humain est isolant parce que la lampe ne s’allume pas. La lampe est trop peu sensible ; l’ohmmètre montre une résistance de quelques dizaines de milliers d’ohms, suffisante pour laisser passer un courant mortel sous 230 V.

Confondre conducteur et récepteur. Un fil de cuivre conduit sans consommer d’énergie ; une lampe est un récepteur qui en transforme. Un bon conducteur est justement celui qui ne chauffe pas.

Exercices corrigés

Du classement des matériaux à l’interprétation de mesures et à la sécurité.

Exercice 1

Classer des matériaux

5e●○○

Indiquer si chaque matériau est conducteur ou isolant : cuivre, verre, aluminium, bois sec, mine de crayon, caoutchouc, fer, air sec, eau salée, porcelaine.

Voir la correction

Conducteurs : cuivre, aluminium, mine de crayon (graphite), fer, eau salée. Isolants : verre, bois sec, caoutchouc, air sec, porcelaine. La mine de crayon est le piège : bien qu’elle ne soit pas métallique, le graphite conduit.

Exercice 2

Le circuit de test

5e●○○

1. Décrire le circuit à réaliser pour tester si un objet est conducteur.
2. Comment vérifie-t-on que le circuit fonctionne avant de tester ?
3. On teste une cuillère : la lampe s’allume. Conclusion ?
4. On teste une carrosserie de voiture peinte : la lampe reste éteinte. Peut-on conclure que la tôle est isolante ?

Voir la correction

1. En série : une pile, une lampe et deux fils à pinces crocodiles laissées libres ; l’objet se place entre les deux pinces.
2. En mettant les deux pinces en contact : la lampe doit s’allumer.
3. Le courant passe : la cuillère est conductrice.
4. Non : la peinture est isolante et empêche la pince de toucher le métal. Il faut pincer une partie nue de la tôle.

Exercice 3

Électrons libres

3e●●○

1. Qu’est-ce qu’un électron libre ? Dans quel type de matériau en trouve-t-on ?
2. Que reste-t-il d’un atome de métal qui a perdu un électron libre ? Le métal est-il chargé pour autant ?
3. Sans générateur, les électrons libres sont-ils immobiles ? Y a-t-il un courant ?
4. Qu’est-ce qui change quand on branche un générateur ?

Voir la correction

1. Un électron qui n’est plus attaché à un atome précis et circule dans tout le matériau. On en trouve dans les métaux.
2. Il reste un ion positif fixe dans le réseau. Le métal reste globalement neutre : autant de charges + fixes que d’électrons − mobiles.
3. Non, ils bougent, mais dans tous les sens au hasard : il n’y a pas de courant, car il n’en passe pas plus dans un sens que dans l’autre.
4. Les électrons acquièrent un déplacement d’ensemble dans la même direction : c’est le courant électrique.

Exercice 4

Eau salée et eau sucrée

3e●●○

On plonge deux électrodes dans trois béchers : eau distillée, eau salée, eau sucrée. La lampe du circuit ne s’allume qu’avec l’eau salée.

1. Expliquer pourquoi l’eau salée conduit.
2. Pourquoi l’eau sucrée ne conduit-elle pas, alors que le sucre est bien dissous ?
3. Pourquoi l’eau distillée ne conduit-elle pas ?
4. L’eau du robinet conduit-elle ? Comment le vérifier si la lampe ne s’allume pas ?

Voir la correction

1. Le sel se dissout en ions Na⁺ et Cl⁻, libres de se déplacer : ils transportent les charges.
2. Le sucre se dissout en molécules neutres : aucune charge mobile, donc aucun courant.
3. Elle ne contient pratiquement pas d’ions : c’est un très mauvais conducteur.
4. Oui, faiblement (sels minéraux dissous). On le vérifie avec un ohmmètre, bien plus sensible qu’une lampe : il affiche quelques milliers d’ohms au lieu de « OL ».

Exercice 5

Sécurité et résistance du corps

3e●●●

La résistance du corps humain vaut environ 10 000 Ω peau sèche et 1 000 Ω peau mouillée. On utilisera I = U / R.

1. Calculer l’intensité traversant une personne qui touche un conducteur à 230 V, dans les deux cas.
2. Sachant que le seuil de danger est de 30 mA, commenter chaque résultat.
3. Pourquoi les prises sont-elles interdites près d’une baignoire ?
4. Pourquoi les gants d’électricien sont-ils en caoutchouc et non en coton ?

Voir la correction

1. Peau sèche : I = 230 / 10 000 = 23 mA. Peau mouillée : I = 230 / 1 000 = 230 mA.
2. 23 mA est déjà dangereux (au-delà du seuil de non-lâcher de 10 mA) ; 230 mA est largement mortel, près de huit fois le seuil de fibrillation.
3. Parce que l’eau mouille la peau et abaisse sa résistance d’un facteur dix, multipliant d’autant l’intensité qui traverserait le corps.
4. Le caoutchouc est un excellent isolant (10¹³ Ω·m) ; le coton, surtout s’il est humide, conduit et ne protège pas.

Exercice 6

Choisir un matériau

3e●●●

Un ingénieur doit choisir des matériaux pour trois usages. Justifier chaque choix à l’aide du tableau des résistivités.

1. L’âme d’un câble domestique. Pourquoi le cuivre plutôt que l’argent, meilleur conducteur ?
2. Les câbles d’une ligne haute tension suspendue entre pylônes. Pourquoi l’aluminium, moins bon conducteur que le cuivre ?
3. Les isolateurs qui accrochent ces câbles aux pylônes. Pourquoi le verre ou la porcelaine plutôt que le plastique ?
4. Une ligne haute tension n’est entourée d’aucune gaine. Qu’est-ce qui isole les câbles ? Cet isolant est-il parfait ?

Voir la correction

1. L’argent est 5 % meilleur mais environ mille fois plus cher : le cuivre offre le meilleur rapport conductivité-prix.
2. L’aluminium est trois fois plus léger et bien moins cher : pour un câble suspendu sur des centaines de mètres, le poids compte plus que la conductivité ; on compense par une section plus grande.
3. Le verre et la porcelaine sont d’excellents isolants qui résistent aux intempéries, aux UV et à la chaleur pendant des décennies, contrairement au plastique qui vieillit et se fissure.
4. C’est l’air. Il n’est pas parfait : au-delà d’environ 30 000 V/cm il claque, d’où les distances de sécurité (plus de 3 m sous une ligne de 400 kV).

Quiz : dix questions pour vérifier

1. Un matériau conducteur est un matériau qui…

   brillelaisse passer le courant électriquechauffeest toujours métallique
2. Pour tester si un objet est conducteur, on l’insère…

   dans un circuit avec une lampedans de l’eausous une balancedans un four
3. Parmi ces matériaux, lequel est conducteur ?

   le verrele bois secla mine de crayonle caoutchouc
4. Dans un métal, le courant est dû au déplacement…

   des ions positifsdes électrons libresdes atomes entiersdes molécules
5. L’eau pure est…

   un excellent conducteurun très mauvais conducteurtoujours dangereuseun métal liquide
6. Pourquoi l’eau sucrée ne conduit-elle pas le courant ?

   le sucre n’est pas dissousle sucre se dissout en molécules neutresle sucre est isolant à l’état solidel’eau sucrée est trop épaisse
7. Dans une solution ionique, le courant est transporté par…

   des électrons libresdes ions positifs et négatifsdes molécules d’eaurien
8. Le corps humain est…

   isolantconducteur, surtout mouilléconducteur seulement à haute tensionsans résistance
9. Pourquoi les fils électriques sont-ils gainés de plastique ?

   pour les rendre plus solidespour les colorerparce que le plastique est isolantpour améliorer la conduction
10. L’air, isolant à basse tension, devient conducteur…

    jamaisau-delà d’environ 30 000 volts par centimètrequand il fait chaudquand il est sec

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Fiche : ce qu’il faut retenir

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