Les isolants et les conducteurs

Activité suggérée
10-A Conçois ta propre
expérience — Comparer
des conductivités
(page 429)
Vérifie tes connaissances
1. Quand tu peignes tes cheveux avec un peigne en plastique,
lequel des deux retient le mieux ses électrons : les cheveux ou le
peigne ? Quelle est la charge sur cet objet ?
2. Si tu peignes tes cheveux vigoureusement, quelle sera la
quantité de charge sur tes cheveux et sur le peigne ? Pourquoi ?
Outils d’apprentissage
Familles de mots Pourquoi
plusieurs mots de ce chapitre
ont-il le mot conduct
comme base ?
3. Si tu frottes du cuir avec du polyester, le polyester gagne une
charge négative. Placerais-tu le cuir avant ou après le polyester
dans une série électrostatique ? Consulte le tableau 10.1.
4. En hiver, retirer un chandail de laine peut donner une charge
statique à tes cheveux. À l’aide du tableau 10.1, prédis le type de
charge sur tes cheveux.
isolant Une matière dans
laquelle les électrons ne
passent pas facilement d’un
atome à un autre.
conducteur Une matière
dans laquelle les électrons se
déplacent facilement entre
les atomes.
semi-conducteur Une
matière dans laquelle les
électrons se déplacent assez
bien entre les atomes.
Figure 10.4 La lumière d’un
conductimètre s’allume si
la substance testée est un
bon conducteur.
Les feuilles antistatiques
Les vêtements sont composés de différentes matières, comme le coton, la
laine et le nylon. Ces matières retiennent leurs électrons avec diverses forces.
Une sécheuse génère des charges statiques sur les matières, car les vêtements
culbutent et se frottent. Un chargement par frottement se produit. Une feuille
antistatique est une petite toile qui contient un composé cireux. L’air chaud
de la sécheuse vaporise le composé cireux, qui recouvre ensuite les vêtements.
Les vêtements agissent ensuite comme s’ils étaient composés de la même
matière, ce qui empêche l’accumulation de charges statiques.
Les isolants et les conducteurs
Chaque matière mentionnée au tableau 10.1 est un non-métal et un
isolant. Dans un isolant électrique, les électrons ne passent pas facilement
d’un atome à un autre. Dans un conducteur électrique comme les
métaux, les électrons se déplacent facilement entre les atomes. Il existe
certains non-métaux, comme le silicium, dans lesquels les électrons se
déplacent assez bien. Ce sont des semi-conducteurs. La facilité avec
laquelle les électrons se déplacent entre les atomes varie d’une matière à
une autre. Les matières ont donc divers degrés de conductivité.
Comme toutes les matières n’ont pas la même conductivité, elles
ont des usages variés. Le cuivre et l’aluminium sont des conducteurs
qu’on utilise dans les fils. Le mercure est un conducteur utilisé dans les
interrupteurs. Le bois, le caoutchouc et le plastique sont des isolants
qui servent à fabriquer la couche externe et les connecteurs des fils, des
protecteurs de prises murales et des poignées de tournevis.
L’utilisation d’un conductimètre
Tu peux distinguer un isolant d’un conducteur à l’aide d’un conductimètre.
Un conductimètre est composé d’une pile branchée à une lampe et
de deux points de contact. Quand les points de contact touchent un
conducteur, les électrons circulent et la lampe s’allume (figure 10.4).
406 Module 4 Les caractéristiques de l’électricité

Figure 10.20 A Un précipitateur
électrostatique est composé d’une
série de plaques et de câbles qui
ont de grandes charges. Il peut
réduire la pollution de l’air causée
par les particules de poussière et
les gouttelettes liquides. B Cette
image ne montre pas les câbles
chargés positivement, car ils sont
situés entre les plaques.
Le fonctionnement d’un précipitateur électrostatique
On utilise les lois des charges électriques dans un précipitateur
électrostatique comme celui représenté à la figure 10.20. Les particules de
poussière et les gouttelettes liquides d’un gaz pollué deviennent chargées
positivement quand elles touchent un câble qui a une grande charge
positive. Les particules et les gouttelettes chargées positivement induisent
une charge négative sur les plaques réceptrices. Quand elles entrent en
collision avec les plaques réceptrices, elles sont neutralisées et recueillies
dans de grands contenants, les trémies.
A
branchement
avec l’énergie
électrique
B
gaz pollués
approvisionnement
en énergie électrique
plaques
réceptrices
en métal
câbles
ionisants
plaques
réceptrices
en métal
écoulement gazeux
trémies
gaz nettoyés de la
cheminée industrielle
Les déchets électroniques
Les entreprises électroniques font constamment la promotion
de nouveaux modèles d’ordinateurs, de téléphones cellulaires
et de lecteurs audionumériques. Ces modèles fonctionnent plus
vite. Ils ont plus de mémoire, des interfaces améliorées et des
caractéristiques attrayantes. Ces entreprises nous convainquent
de remplacer nos anciens appareils par de nouveaux.
Qu’arrive-t-il aux appareils électroniques que nous jetons ?
Les appareils électroniques jetés sont des déchets
dangereux qu’on nomme les déchets électroniques. Ces
déchets menacent sérieusement l’être humain et
l’environnement. Bon nombre de ces appareils, comme les
téléviseurs et les ordinateurs, ont des composantes faites de
métaux lourds, comme le mercure, le plomb et le cadmium.
Ces éléments toxiques s’accumulent dans les décharges et
entrent dans les eaux souterraines.
Ce sont les pays en développement qui recyclent la plus
grande partie des déchets électroniques. Ces pays ont des
méthodes de recyclage dangereuses. Pour recueillir le verre
dans un écran, on casse l’écran, ce qui libère de la poussière
de plomb toxique. Ces pays utilisent aussi des acides
dangereux et font des feux en plein air pour récupérer les
métaux précieux des déchets électroniques.
Des accords internationaux préviennent le recyclage
dangereux. Les pays industrialisés continuent toutefois
d’envoyer leurs déchets électroniques dans des pays aux
méthodes de recyclage dangereuses. Il est moins coûteux
pour une entreprise d’exporter ses déchets électroniques
que de payer pour un recyclage sécuritaire.
De nombreux pays, y compris le Canada, ont adopté
la politique de la Responsabilité élargie des producteurs.
Cette politique rend les entreprises responsables de leurs
produits après leur utilisation.
422 Module 4 Les caractéristiques de l’électricité

Les photocopieurs et les imprimantes au laser
Le sélénium est un élément essentiel à la santé. Il a aussi une propriété
unique très utile. En 1873, Willoughby Smith est ingénieur en chef pour
l’entreprise britannique Telegraph Construction and Maintenance.
Smith réalise des tests pour déterminer s’il peut utiliser du sélénium
dans les câbles télégraphiques. Il ne comprend pas pourquoi des barres
de sélénium n’ont pas toute la même conductivité. Smith découvre
finalement que l’éclairage a un effet sur la conductivité du sélénium.
Il conduit plus ou moins bien dans la noirceur et devient un très bon
conducteur quand on l’expose à la lumière.
L’inventeur américain Chester Carlson a utilisé cette propriété unique
du sélénium dans le premier photocopieur qu’il a breveté, en 1942. Dans
un photocopieur ou une imprimante au laser, une image électrostatique
se forme sur un tambour d’aluminium recouvert de sélénium. Lis la
description de la figure 10.24 sur le fonctionnement d’un photocopieur.
Détermine les composantes du photocopieur et les principes sur lesquels
sa conception est basée.
Figure 10.24 Les principes de
l’électrostatique sont utilisés
dans les composantes de ce
photocopieur.
2
copie originale, à l’envers
lampe mobile
3
lentilles
miroir
1
charge
positive
papier chargé
positivement
miroir
bloc chauffant
4
poudre d’encre chargée
négativement
5
6
tambour recouvert de sélénium
1. On place la feuille à copier à l’envers sur la surface en verre
du photocopieur. En appuyant sur le bouton de copie, le
tambour recouvert de sélénium reçoit une charge positive
dans la noirceur.
2. Une lampe vive se déplace le long du papier. Un système
optique, composé de miroirs et de lentilles, projette une
image du papier sur le tambour recouvert de sélénium.
3. Les parties blanches de la feuille réfléchissent la lumière.
Cette lumière frappe des régions du tambour où le sélénium
conduit la charge. Les électrons de la base en aluminium du
tambour vont dans ces zones de lumière et neutralisent la
charge qui s’y trouvait. Les régions sombres du tambour,
qui représentent l’information copiée, retiennent une
charge positive. La surface du tambour contient une image
électrostatique de l’information copiée.
4. La machine répand la poudre d’encre sur la surface du
tambour. La poudre d’encre est une fine poudre noire
composée de pigments qui recouvrent de minuscules billes
en plastique. (Les pigments donnent la couleur noire à la
poudre.) Elle est attirée par les parties positives du tambour,
qui représentent une image du papier copié.
5. En tournant, le tambour tire sur une feuille de papier dans le
plateau de chargement. Cette feuille reçoit une plus grande
charge positive que le tambour. Quand le papier appuie
contre le tambour, la poudre d’encre y est transférée.
6. Le papier passe ensuite entre des rouleaux en téflon
chauffés. La chaleur fait fondre les billes en plastique
dans la poudre d’encre. Les rouleaux appliquent la poudre
noire sur le papier. La copie est encore chaude quand elle
sort de la machine.
Chapitre 10 Les charges statiques et l’énergie 425

Le dosimètre
Un dosimètre détecte et mesure l’exposition à la radiation. Les gens
qui travaillent avec des substances radioactives ou des équipements qui
produisent des radiations en portent souvent un. Les astronautes au-dessus
de l’atmosphère terrestre, qui protège la Terre des radiations émises par le
Soleil, portent aussi un dosimètre. Les radiations nucléaires et solaires ainsi
que les rayons X peuvent être très dangereux. Ils causent des dommages
qui s’accumulent. Une exposition de forte intensité ou une grande dose
accumulée avec le temps représente un risque.
Il existe divers types de dosimètres. Certains agissent comme un film
photographique. Les radiations assombrissent le film, comme une grande
exposition à la lumière assombrit une image chez un photographe.
D’autres dosimètres ressemblent à un électroscope à feuilles de métal
entouré d’un gaz. Imagine un électroscope à feuilles de métal chargé
qui a des feuilles bien séparées. Un gaz n’est pas conducteur en
temps normal, mais les radiations frappent les électrons des
atomes gazeux. Le gaz qui entoure l’électroscope devient alors
conducteur et entraîne un transfert de charge. Quand la charge
s’éloigne de l’électroscope, les feuilles se rapprochent les unes
des autres en position non chargée. Le dosimètre montré à
la figure 10.25 fonctionne selon ces principes. Il est composé
d’une fibre entourée d’un gaz.
dosimètre Un petit appareil
qui détecte et mesure
l’exposition à la radiation.
Figure 10.25 Un dosimètre en forme de
crayon est calibré pour montrer la quantité
de radiation à laquelle la personne est
exposée en fonction d’un changement dans la
fibre, qui s’allume selon une échelle.
Vers un monde meilleur
Pour Christopher Allen et Samuel-André Lemieux, la préservation
de l’environnement est un sujet d’actualité. Ces passionnés de la
mécanique et de l’électricité ont trouvé un moyen de rendre encore
plus efficaces les voitures hybrides dans lesquelles l’électricité et le
carburant sont utilisés.
« Il suffit de modifier la voiture hybride en ajoutant des éoliennes
sur une génératrice qui produit de l’électricité à l’aide du vent. La charge
électrique générée par les éoliennes nous permet de recharger une pile
pour faire fonctionner le système électrique d’une voiture hybride.
Nous pouvons ainsi aller plus loin avec la charge de la pile. L’objectif est
d’avoir un moteur sans pollution et une batterie de plus longue durée,
tout en réduisant au maximum les gaz à effet de serre. Cela contribue à
contrer le problème du réchauffement de la planète. »
Ils ont reçu la médaille de bronze comme finalistes 2009 à
Sciences Jeunesse Canada ainsi qu’une bourse d’études de 1 000 $
de l’Université de Western Ontario.
Peux-tu trouver d’autres usages aux éoliennes afin
de préserver notre environnement ?
Chapitre 10 Les charges statiques et l’énergie 427