Chapitre 7 – Structure de la matière | 2nde Bac Pro | Physique-Chimie | ⏱ 30 min
Dernière mise à jour : 15 août 2026, 13:10
Yanis, électricien et installateur en génie climatique, tire des câbles dans un logement et raccorde une pompe à chaleur. Il manipule deux familles de matériaux très différents : des métaux (au cœur des câbles et des tubes) et des matières plastiques (autour des câbles, pour les gaines). Il se demande pourquoi on choisit le cuivre pour conduire le courant et le plastique pour protéger.
Le câble est formé d'une âme en cuivre (métal qui conduit le courant) entourée d'une gaine en PVC (plastique qui isole). Dans le cuivre (Z = 29), certains électrons sont « libres » de se déplacer : c'est ce qui permet au courant de circuler.
| Matériau | Famille | Donnée | Conduit le courant ? |
|---|---|---|---|
| Cuivre (Cu) | Métal | Z = 29 — électrons libres | Oui (très bon conducteur) |
| Aluminium (Al) | Métal | Z = 13 — électrons libres | Oui (bon conducteur) |
| PVC | Matière plastique | pas d'électrons libres | Non (isolant) |
| Polyéthylène (PE) | Matière plastique | pas d'électrons libres | Non (isolant) |
Fluide frigorigène : dans une pompe à chaleur, un fluide circule dans des tubes en cuivre. Selon la pression et la température, il passe de l'état liquide à l'état gazeux (et inversement) : c'est ce changement d'état qui permet de transporter la chaleur.
À l'aide du rappel de leçon, explique avec tes mots ce qu'est un matériau conducteur et un matériau isolant du courant électrique.
Un matériau conducteur laisse passer le courant électrique (les charges peuvent circuler à travers lui). Un matériau isolant ne laisse pas passer le courant : il bloque le passage des charges. Les métaux sont conducteurs ; la plupart des matières plastiques sont isolantes.
À l'aide du Document 2, classe les quatre matériaux suivants en deux groupes : conducteurs et isolants. Cuivre · Aluminium · PVC · Polyéthylène
Conducteurs : le cuivre (Cu) et l'aluminium (Al) — ce sont des métaux.
Isolants : le PVC et le polyéthylène (PE) — ce sont des matières plastiques.
À partir du Document 1 et du Document 2, explique pourquoi les métaux conduisent le courant alors que les plastiques ne le conduisent pas.
Dans les métaux, certains électrons ne sont pas retenus par un atome précis : ce sont des électrons « libres » qui peuvent se déplacer dans tout le matériau. Quand on branche le câble, ces électrons se mettent en mouvement : c'est le courant électrique. Dans les matières plastiques (PVC, polyéthylène), il n'y a pas d'électrons libres : rien ne peut circuler, donc elles n'ont pas la capacité de conduire le courant — ce sont des isolants.
À l'aide du Document 2, donne le numéro atomique \(Z\) du cuivre puis de l'aluminium. Rappelle ce que représente \(Z\) et quelle particule permet à ces métaux de conduire.
Cuivre : \(Z = 29\). Aluminium : \(Z = 13\).
\(Z\) est le numéro atomique : il indique le nombre de protons dans le noyau (et, dans l'atome neutre, le nombre d'électrons). Ce sont les électrons libres de ces métaux qui se déplacent et permettent de conduire le courant.
Yanis entoure l'âme en cuivre d'une gaine en PVC. À l'aide des deux documents, explique pourquoi on gaine un câble de PVC. Que se passerait-il si l'âme en cuivre restait nue ?
Le PVC est un isolant : il empêche le courant de sortir du câble. La gaine assure donc la sécurité : elle protège l'utilisateur du risque d'électrisation (choc électrique) et évite les courts-circuits entre fils. Si l'âme en cuivre restait nue, on pourrait être traversé par le courant en la touchant, et deux fils nus en contact provoqueraient un court-circuit (échauffement, risque d'incendie).
Dans la pompe à chaleur, un fluide frigorigène circule dans les tubes. Cite les trois états de la matière, puis indique entre quels états ce fluide change quand il transporte la chaleur.
Les trois états de la matière sont : solide, liquide et gaz.
Dans une pompe à chaleur, le fluide frigorigène passe de l'état liquide à l'état gazeux (et inversement, du gaz au liquide) selon la pression et la température. C'est ce changement d'état qui permet de capter puis de restituer la chaleur. Le fluide n'est pas utilisé à l'état solide.
Pour chacune des trois fonctions ci-dessous, choisis le matériau adapté (cuivre, aluminium ou PVC) et justifie en une phrase.
(a) conduire le courant dans un câble · (b) isoler l'extérieur du câble · (c) ligne électrique aérienne très longue à alléger
(a) Cuivre : c'est le métal qui conduit le mieux le courant (électrons libres), idéal pour l'âme du câble.
(b) PVC : c'est un isolant, il protège et empêche le courant de sortir → pour la gaine.
(c) Aluminium : il conduit aussi le courant mais il est beaucoup plus léger que le cuivre, ce qui est intéressant pour de longues lignes aériennes à supporter par des pylônes.
Rédige un court paragraphe (3 à 4 phrases) qui répond à la problématique : explique le choix du cuivre et du PVC dans un câble. Utilise les mots conducteur, isolant et électrons libres.
Le câble : cuivre + PVC
L'âme du câble est en cuivre, un métal conducteur : grâce à ses électrons libres, le courant peut circuler facilement à travers lui. Autour, on place une gaine en PVC, une matière plastique isolante qui ne contient pas d'électrons libres : elle empêche le courant de sortir et protège l'utilisateur. On associe donc un bon conducteur au cœur du câble et un bon isolant à l'extérieur pour transporter le courant en toute sécurité.
Le cuivre conduit mieux le courant que l'aluminium. Pourtant, sur certaines installations (grandes lignes, gros câbles), on préfère parfois l'aluminium. À ton avis, pourquoi ? (pense au poids et au prix)
L'aluminium conduit un peu moins bien que le cuivre, mais il est environ 3 fois plus léger et généralement moins cher. Sur de très grandes longueurs (lignes électriques aériennes, gros câbles), ces avantages deviennent décisifs : un câble en aluminium pèse beaucoup moins lourd à supporter par les pylônes et coûte moins cher, quitte à utiliser une section un peu plus grosse pour compenser la conduction plus faible.
Réponse à la problématique : on utilise le cuivre pour l'âme du câble car c'est un métal conducteur (il possède des électrons libres qui permettent au courant de circuler), et le PVC pour la gaine car c'est une matière plastique isolante qui bloque le courant et assure la sécurité.
📚 Cette activité s'appuie sur la leçon Ch07 « Structure de la matière » : § 1 — L'atome (numéro atomique Z, électrons), § 5 — Les états de la matière, et la notion de conducteurs / isolants (métaux à électrons libres).
Source : constitution courante des câbles électriques (âme cuivre, gaine PVC) et des lignes aériennes (aluminium) ; numéros atomiques exacts (Cu : Z = 29 ; Al : Z = 13). Valeurs et usages réalistes du domaine électricité / génie climatique.