Chapitre 10 - Conducteurs et isolants

Chapitre 10 - Conducteurs et isolants

Les conducteurs ont une résistance très faible.

Pour un fil de cuivre de 1 m de longueur, la résistance est en général inférieure à 0,3 Ω.

Le fil conducteur est destiné à relier une source de tension appliquée à une résistance de charge en créant dans le conducteur une chute de tension IR minimale, pour que toute la tension appliquée puisse produire un courant dans la résistance de charge.

Tout à fait à l'opposé, les matériaux de résistance très élevée, de l'ordre de plusieurs mégohms, sont des isolants.

On peut citer comme exemples courants: l'air, le papier, le mica, le verre, les plastiques, le caoutchouc, le coton, la gomme laque ou le vernis.

Entre ces extrêmes que sont les conducteurs et les isolants, il y a les matériaux semi-conducteurs comme le carbone, le silicium et le germanium. Le carbone sert à la fabrication des résistances. Le silicium et le germanium sont employés pour les transistors.

On traitera ici des sujets suivants:

10.1 Rôle du conducteur

10.2 Dimensions standard des fils

10.3 Types de fils conducteurs

10.4 Câblage imprimé

10.5 Commutateurs

10.6 Fusibles

10.7 Lampes témoins

10.8 Résistance d'un fil

10.9 Coefficient de température des résistances

10.10 Courant ionique dans les liquides et dans les gaz

10.11 Charges des électrons et des trous dans les semi-conducteurs

10.12 Isolants

10.1 RÔLE DU CONDUCTEUR

La résistance des deux longueurs de fil de cuivre de 3 m de la figure 10-1 est d'environ 0,6 Ω, ce qui est faible et négligeable devant la résistance de 144 Ω du filament de tungstène de la lampe.

Figure 10-1 Les conducteurs doivent avoir une résistance minimale pour que la lampe éclaire avec sa brillance normale.

(a) Schéma de câblage;

(b) schéma symbolique.

Quand un courant de 0,9 A environ circule dans la lampe et dans les conducteurs en série, la chute de tension IR dans les conducteurs est de 0,54 V et la tension appliquée à la lampe de 119,5 V.

Toute la tension de la source est pratiquement appliquée à la lampe. Comme la tension nominale de la lampe est de 120 V environ, cette lampe dissipera sa puissance nominale de 100 W et éclairera avec une brillance normale.

Le courant qui circule dans les fils conducteurs et dans la lampe est le même puisqu'ils sont en série, mais, la résistance des fils étant très faible, la chute de tension IR dans les conducteurs est pratiquement nulle, leur résistance R étant presque nulle elle aussi.

La puissance PR dissipée dans les conducteurs est aussi faible et négligeable, ce qui permet aux conducteurs de fonctionner sans chauffer.

Par conséquent, les conducteurs transmettent l'énergie de la source à la charge avec des pertes minimales grâce aux électrons qui circulent dans les fils de cuivre.

Bien que la résistance des conducteurs en cuivre soit très faible, dans certains cas où le courant est excessif, la chute de tension IR peut devenir appréciable.

Les plaintes au sujet des images de télévision dont les dimensions rétrécissent le soir en sont un exemple. Les lampes et autres appareils en service sont nombreux et la grande intensité du courant peut donner lieu à des chutes de tension trop importantes sur les lignes de distribution.

Si la chute de tension IR atteint 30 V, la tension appliquée à la charge n'est plus que de 90 V, ce qui est suffisamment faible pour rétrécir l'image.

Comme exemples supplémentaires, une chute de tension IR trop élevée dans les lignes et une tension faible aux bornes de la charge peuvent empêcher un grille-pain de chauffer rapidement ou un moteur électrique de démarrer correctement.

Problèmes pratiques 10.1
(réponses à la fin du chapitre)

Considérer la figure 10-1:

(a) Déterminer la résistance d'un conducteur en cuivre de 6 m de longueur;

(b) Déterminer la chute de tension IR des conducteurs en cuivre.

10.2 DIMENSIONS STANDARD DES FILS

La liste des dimensions standard des fils dans un système appelé AWG (jauge américaine des fils) ou jauge Brown et Sharpe (B & S) est donnée au tableau 10-1.

Les numéros des jauges indiquent les dimensions de fils cylindriques exprimées en diamètre et la surface de la section circulaire du fil. Notez les remarques suivantes:

1. Quand les numéros de jauge passent de 1 à 40, le diamètre et la section des fils décroissent. Plus les numéros sont élevés, plus les fils sont minces.

2. La section circulaire double tous les trois numéros. Par exemple, le fil n° 10 a une section approximativement double de celle du fil n° 13.

3. Plus le numéro est élevé et plus le fil est fin, plus la résistance d'une longueur donnée de fil est élevée.

Les fils de montage des circuits des récepteurs de radio qui sont parcourus par des courants de l'ordre du milliampère sont en général des fils n° 22. Le courant maximal que peuvent supporter des fils de cette dimension sans échauffement est de 0,5 à 1 A.

Les installations électriques des habitations qui doivent supporter des courants de 5 à 15 A sont en fil n° 14 environ. Les dimensions minimales des câbles des installations domestiques sont fixées par les spécifications de l'Association canadienne de l'électricité.

La figure 10-2 représente un calibre pour mesurer les dimensions des fils.

Figure 10-2 Calibre pour fils.

Les «millièmes circulaires»

La surface de la section d'un fil cylindrique est mesurée en millimètres carrés ou en «millièmes circulaires» (cmil). Un millième circulaire est égal à la section d'un fil de un millième de pouce de diamètre.

Pour toute section circulaire, la valeur en millièmes circulaires est égale au carré du diamètre en millièmes de pouce.

Exemple 1 (a)

Déterminer la section en millimètres carrés d'un fil de n° 14.

Réponse

Le fil de n° 14 a, comme on l'indique au tableau 10-1 un diamètre d de 1,63 mm.

La formule de la section est πd²/4.

Prenons π = 3,14.

On aura donc comme section 3,14 x (1,63 mm)²/ 4 = 2,08 mm², valeur que l'on retrouve également sur le tableau 10-1.

(b) Quelle est la section en millièmes circulaires d'un fil de 0,005 pouce de diamètre?

Réponse

II faut convertir le diamètre en millièmes de pouce. Comme 0,005 pouce = 5 millièmes:

Section circulaire = (5 millièmes)²

Section = 25 millièmes circulaires

Remarquez que le millième circulaire est une unité de surface équivalente au carré du diamètre, tandis que le millième est une unité de longueur égale au millième de pouce.

La surface en millièmes circulaires croît donc comme le carré du diamètre. Comme l'indique la figure 10-3, en doublant le diamètre, on quadruple la section.

Figure 10-3 Surfaces des sections de fils. Doubler le diamètre revient à quadrupler la section circulaire.

Les millièmes circulaires sont commodes parce que les sections sont exprimées sans recourir à la formule πr² ou πd²/4 pour trouver la surface d'un cercle.

Problèmes pratiques 10.2

(réponses à la fin du chapitre)

(a) Calculer la résistance R d'un fil n° 22 de 1 m de longueur à 25° C.

(b) Déterminer la section en cmil d'un fil de 0,64 mm de diamètre.

10.3 TYPES DE FILS CONDUCTEURS

La plupart des fils conducteurs sont en cuivre, mais on utilise aussi l'aluminium et l'argent.

En général, le cuivre est étamé avec une mince couche de soudure, ce qui lui donne une apparence argentée. Le fil peut être solide ou torsadé, comme on l'indique aux figures 10-4a et b.

Figure 10-4 Types de fils conducteurs: (a) massif; (b) torsadé; (c) tressé; (d) câble coaxial; (e) câble à deux conducteurs.

Voir l'Annexe G pour plus de renseignements sur la soudure.

Voir aussi la section Soudons ! de Mes premiers pas en Électronique

Le fil torsadé est souple et risque moins de se casser. Les dimensions des fils torsadés sont égales à la somme des sections des différents brins. Par exemple, deux brins n° 30 sont équivalents à un fil massif n° 27.

Deux ou plusieurs conducteurs rassemblés dans une même gaine forment un câble.

La ligne à deux conducteurs de la figure 10-4d est appelée câble coaxial. La gaine métallique forme le premier conducteur qui est connecté à la masse pour protéger le conducteur intérieur contre les champs magnétiques extérieurs.

Deux conducteurs séparés par un écartement constant forment une ligne de transmission. Un câble coaxial est un type de ligne de transmission. La ligne de transmission à deux conducteurs de la figure 10-4e est couramment utilisée pour relier l'antenne au téléviseur.

Types d'isolement des fils

Pour éviter les courts-circuits entre conducteurs ou entre les conducteurs et d'autres objets métalliques des circuits, les fils sont habituellement isolés. L'isolant doit avoir une résistance très élevée, être robuste et ne pas devenir cassant en vieillissant.

Des fils très fins comme les fils n° 30 sont souvent isolés par une couche d'émail ou de gomme laque. Le fil peut alors avoir l'aspect du cuivre, mais il faut le dénuder à chaque extrémité pour effectuer de bonnes connexions.

Les fils plus gros sont généralement isolés par une gaine qui peut être en caoutchouc, en coton ou en matière plastique. Les fils de montage qui sont nus doivent être introduite dans une gaine isolante creuse appelée soupliso.

Problèmes pratiques 10.3

(réponses à la fin du chapitre)

Répondre par vrai ou faux:

(a) La couche plastique des conducteurs présente une très grande résistance;

(b) Un câble coaxial constitue une ligne de transmission blindée.

10.4 CÂBLAGE IMPRIMÉ

La plupart des circuits électroniques sont montés sur des plaquettes isolantes à câblage imprimé (figure 10-5).

Figure 10-5 Plaquette à câblage imprimé d'un téléviseur. Les composants sont montés sur la face avant, le câblage est imprimé sur la face arrière (RCA).

Un côté porte les composante comme les résistances, les condensateurs, les bobines, les tubes, les transistors et les diodes.

L'autre face de la plaquette porte les connexions, imprimées avec de l'argent ou du cuivre, qui remplacent les fils.

Des douilles, de petite oeillets métalliques ou de simples trous dans la plaquette permettent de connecter les composante au câblage.

En utilisant un éclairage puissant, on peut voir la face opposée au travers de la plaquette en matière plastique pour pouvoir tracer les connexions, bien que le circuit soit habituellement tracé sur la face portant les composante.

Il importe de ne pas trop chauffer lors du soudage ou du dessoudage Annexe G, sinon le câblage imprimé se détachera de la plaquette.

Utiliser un petit fer de puissance nominale voisine de 25 à 35 W. Lors du soudage des diodes semi-conductrices et des transistors, tenir le fil de connexion à l'aide de pinces ou connecter une pince crocodile en guise de lame de refroidissement qui dissipera la chaleur à l'abri de la jonction des semi-conducteurs.

Les composants R, L et C peuvent parfois être remplacés sans endommager le câblage imprimé. Pour cela, il suffira de couper les composants par le milieu à l'aide d'une pince à coupe diagonale et de souder le nouveau composant aux anciens fils.

La meilleure méthode, cependant, consiste à dessouder les fils et à souder le nouveau composant au câblage imprimé.

Pour le dessoudage, utiliser avec un fer à souder un aspirateur de soudure de manière à nettoyer chaque borne.

Une autre méthode consiste à utiliser une tresse en fil émaillé. Poser la tresse sur la jonction et chauffer jusqu'à ce que la soudure emplisse la tresse.

La borne doit être suffisamment propre pour détacher facilement le composant sans endommager la plaquette.

On réparera une légère fissure du câblage imprimé en soudant une petite longueur de fil nu sur l'ouverture.

Si une large section du câblage imprimé est ouverte, ou si la plaquette est fêlée, shunter l'ouverture à l'aide d'un fil de montage que l'on soudera à deux bornes d'accès aisé aux extrémités du câblage imprimé.

Problèmes pratiques 10.4

(réponses à la fin du chapitre)

(a) Quelle puissance de fer convient le mieux pour travailler sur une plaquette à câblage imprimé: 25, 100 ou 150 W?

(b) Que vaut la résistance d'un conducteur imprimé rompu?

10.5 COMMUTATEURS

Comme on l'indique à la figure 10-6, on utilise communément des commutateurs pour ouvrir ou fermer un circuit.

Figure 10-6 Commutateur unipolaire à une seule direction pour ouvrir ou fermer un seul circuit:

(a) schéma de câblage d'un interrupteur à couteau; (b) schéma utilisant le symbole général du commutateur S.

En position fermée, ils sont sur MARCHE, en position ouverte, ils sont sur ARRÊT. Le commutateur est en série avec la source de tension et sa charge.

En position MARCHE, le commutateur fermé a une résistance très faible, si bien qu'un courant maximal peut circuler dans la charge avec une chute de tension pratiquement nulle dans le commutateur.

En position ouverte, le commutateur a une résistance infinie, et aucun courant ne circule dans le circuit.

Remarquez que le commutateur se trouve dans un seul côté de la ligne mais que tout le circuit est ouvert quand le commutateur est sur ARRÊT.

Quand le commutateur est en position ouverte, la tension appliquée se retrouve entre les contacts du commutateur. Par conséquent, l'isolement doit être suffisant pour supporter cette tension sans risque d'amorçage d'arc.

Le commutateur de la figure 10-6 est un commutateur unipolaire à une seule direction. Il permet de réaliser une position MARCHE ou une position ARRÊT dans un seul circuit.

Deux connexions sont nécessaires.

La figure 10-7 représente des commutateurs bipolaires pour deux circuits.

Figure 10-7 Applications des commutateurs:

(a) commutateur unipolaire à deux directions permettant le branchement de l'un des deux circuits;
(b) commutateur bipolaire à deux directions permettant de faire deux connexions avec l'un des deux circuits;
(c) construction d'un commutateur à couteaux, bipolaire à deux directions.

En (a), Si est un commutateur unipolaire à deux directions capable de commuter une branche du circuit. La commutation est possible parce que les résistances R1 et R2 ont une ligne en commun. Il faut trois connexions, une pour la ligne commune et une pour chacun des circuits à commuter.

En (b), S2 est un commutateur bipolaire à deux directions qui peut commuter les deux côtés de deux circuits. Cette commutation se fait parce qu'il n'y a pas de ligne de retour commune aux deux antennes distinctes. Dans ce cas, il faut six connexions, deux pour chacun des circuits à commuter et deux pour les contacts centraux.

La figure 10-8 illustre un commutateur à bascule et la figure 10-9, un commutateur rotatif.

Figure 10-8 Commutateur à bascule, bipolaire à deux directions. Remarquer les six cosses à souder. (J-B-T Instruments Inc.)

Figure 10-9 Commutateur rotatif à trois galettes ou plaquettes montées sur un même axe. (Centralab)

Le commutateur à couteau et le commutateur à bouton poussoir sont deux des autres types de construction possibles. Un commutateur à ressort normalement fermé porte l'inscription NF (normalement fermé) ou NC (Nor-mally Closed), selon qu'il est en français ou en anglais. Un commutateur normalement ouvert porte toujours l'inscription NO.

En général, il faut des commutateurs plus gros pour des circuits parcourus par des courants très intenses, avec des contacts qui doivent être gros pour avoir une résistance minimale.

Dans les circuits à haute tension, les écartements entre les contacts doivent être plus importants pour assurer un isolement maximal en position ouverte.

Problèmes pratiques 10.5 (réponses à la fin du chapitre)

a) Que vaut la chute de tension IR aux bornes d'un interrupteur fermé?

b) Combien de connexions comporte un commutateur bipolaire à deux directions?

10.6 FUSIBLES

Un fusible est monté en série dans de nombreux circuits pour servir de protection contre les surcharges dues à un court-circuit. Des courants très élevés font fondre le fusible et coupent le circuit en série.

L'objectif consiste à faire fondre le fusible avant que les composants ne soient détériorés. On peut facilement remplacer le fusible fondu par un neuf lorsque la surcharge a été supprimée.

La figure 10-10 représente un fusible en cartouche de verre et son porte-fusible.

Figure 10-10 Fusibles: (a) modèle à cartouche de verre; (b) et (c) porte-fusibles.

Ce modèle de fusible est un 3 AG de diamètre 6,5 mm et de longueur 32 mm. Les lettres AG sont mises pour «Automobile Glass», selon une des toutes premières applications des fusibles dans une cartouche vitrée rendant visible la liaison filaire.

L'élément métallique du fusible peut être en aluminium, en cuivre étamé ou en nickel. Il existe des fusibles calibrés pour des courants compris entre 1/500 A et quelques centaines d'ampères.

Plus le diamètre du fusible est fin, plus son courant de rupture est faible.

Un fil n° 28 de 50 mm de longueur peut servir de fusible de 2 A. Dans l'exemple des fusibles enfichables de chaque ligne des installations domestiques, le calibre est souvent de 15 A; le circuit haute tension d'un téléviseur est habituellement protégé par un fusible de 0,25 A monté dans une cartouche de verre.

Fusibles à fusion lente

Ces fusibles sont du type bobiné. Ils sont conçus pour ne s'ouvrir que sous l'action d'une surcharge prolongée, comme un court-circuit.

Ce genre de fabrication à bobine a pour but d'éviter au fusible de fondre lors d'une pointe temporaire de courant. Ainsi, un fusible à fusion lente de 1 A supportera une surcharge de 400 % durant 2 s.

Disjoncteurs

Les disjoncteurs sont munis d'un dispositif thermique de la forme d'un ressort. Sous l'action de la chaleur ce ressort se dilate, le disjoncteur se déclenche et ouvre le circuit. Le disjoncteur peut être réarmé, ce qui assure un service normal après, toutefois, élimination du court-circuit et refroidissement du dispositif thermique.

Liaisons filaires

Une courte longueur de fil nu sert souvent de fusible dans les téléviseurs. Un fil de numéro de jauge 24 de 5 cm de longueur, par exemple, peut supporter un courant de 500 mA mais fondra et ouvrira donc le circuit dans le cas d'une surcharge. La liaison filaire est soit montée entre deux barrettes à bornes sur le châssis, soit enroulée sur un petit isolateur pour constituer un composant séparé.

Essai des fusibles

Dans le cas d'un fusible logé dans une cartouche de verre, on peut généralement voir par un simple coup d'oeil si la liaison filaire est ouverte ou non.

Vérifié avec un voltmètre, un fusible en bon état a une résistance pratiquement nulle; un fusible fondu, par contre, présentera une résistance infinie. Couper l'alimentation ou extraire le fusible du circuit avant de le vérifier à l'aide d'un ohmmètre.

Soumis à un voltmètre, un fusible en bon état présente une tension nulle entre ses bornes (figure 10-11a).

Figure 10-11 Quand un fusible saute, la tension appliquée se trouve aux bornes du fusible:

(a) circuit fermé avec un fusible en bon état. Observer le schéma symbolique; (b) fusible coupé.

Dans le cas contraire, le fusible est fondu. En fait, comme l'indique la figure b, dans un tel cas la pleine tension appliquée se retrouve aux bornes du fusible fondu. C'est la raison pour laquelle les fusibles ont toujours une tension nominale qui indique la tension maximale admissible sans création d'arc dans le fusible fondu.

Se reporter à la figure 10-11 et remarquer, dans les deux cas, les valeurs des tensions mesurées aux deux bornes du fusible par rapport à la masse.

En (a), la tension est de 120 V aux deux bornes, car un fusible en bon état n'occasionne aucune chute de tension.

En (b) par contre, on lit O V à la borne B, car la fusion du fusible a déconnecté cette borne de l'alimentation VT. Ces essais sont valides pour les deux types de tensions, continues et alternatives.

Problèmes pratiques 10.6

(réponses à la fin du chapitre)

(a) Que vaut la résistance d'un fusible en bon état?

(b) Que vaut la chute de tension IR entre les bornes d'un fusible en bon état?

10.7 LAMPES TÉMOINS

On utilise souvent une petite lampe à incandescence sur un panneau pour éclairer un cadran ou pour servir de lampe témoin qui s'allume pour montrer que l'appareil est en fonctionnement.

La figure 10-12 représente quelques types de lampes et leurs embases. La paroi gauche de la douille forme la première connexion.

Figure 10-12 Lampes témoins et leurs douilles. Le diamètre du culot est de 13 mm:

(a) culot à baïonnette;

(b)culot à vis;

(d) douille à vis avec chaton de verre;

(e) lampe et douille miniatures.

Avec les douilles à baïonnette (c), la connexion centrale est équipée d'un ressort pour appuyer fortement sur la lampe. La monture d'une lampe témoin est généralement équipée d'un capot en verre teinté ou chaton, comme on le voit en (d).

Au tableau 10-2, on donne les caractéristiques de plusieurs de ces lampes.

Les lampes dont la tension nominale est de 6 à 8 V, comme la lampe n° 47, sont généralement alimentées sous 6,3 V, valeur souvent employée comme tension d'alimentation des filaments dans les appareils électroniques.

Remarquez qu'il existe des lampes témoins dont la tension nominale est de 120 V pour pouvoir fonctionner directement sur le secteur.

C'est la couleur de la perle qui supporte le filament, à l'intérieur de la lampe, qui indique le courant nominal. Les lampes témoins sont habituellement branchées en parallèle de sorte que l'appareil peut continuer à fonctionner si la lampe est grillée.

Problèmes pratiques 10.7 (réponses à la fin du chapitre)

Répondre par vrai ou faux:

(a) Un chaton est le couvercle en verre d'une lampe témoin;

(b) Une lampe témoin est habituellement connectée en parallèle.

10.8 RÉSISTANCE D'UN FIL

Plus un fil est long, plus sa résistance est élevée, puisqu'il faut effectuer davantage de travail pour faire déplacer les électrons d'une extrémité à l'autre.

Mais plus le fil est gros, plus sa résistance est faible, puisqu'il y a davantage d'électrons libres dans une section du fil.

La formule de la résistance est la suivante:

R = ρ (l/A) (10.1)

où

R est la résistance totale,

l la longueur,

A la section du fil

et ρ la résistivité.

Le coefficient ρ permet donc de comparer la résistance de différents matériaux d'après leur nature sans considérer ni leur longueur ni leur section.

Des valeurs de ρ plus élevées signifient des résistances plus élevées.

Remarquer que ρ est la lettre grecque rhô, qui correspond à r.

L'ohm-mètre (Ω • m), unité de résistivité

Sauf pour les fils conducteurs, on compare habituellement les résistivités d'un volume de matière égal à 1 m³.

La résistivité p s'exprime alors en Ω • m pour une section de 1 m².

Pour le germanium pur, par exemple, p = 0,55 Ω • m comme on l'indique au tableau 10-3.

Ceci signifie que la résistance R d'un cube de germanium pur de 1 m² de section et de 1 m de longueur est de 0,55 Ω.

Pour d'autres dimensions, on applique la formule (10.1) en exprimant l en m et A en m². Toutes les unités s'éliminent alors pour exprimer R en Ω.

Au tableau 10-4, on indique les valeurs de la résistivité de différents conducteurs.

L'argent, le cuivre et l'aluminium, qui sont les meilleurs conducteurs, ont les résistivités les plus faibles.

Le tungstène et le nichrome ont des résistivités beaucoup plus élevées.

Exemple 2

Quelle est la résistance de 100 m de fil de cuivre n° 20?

Remarquez sur le tableau 10-1 que la section d'un fil n° 20 est de 0,517 mm² et sur le tableau 10-4 que la résistivité du cuivre est de 15,88 x 10^-9 Ω • m.

En appliquant la formule (10.1), on obtient:

Réponse

R = p (l/A) = 15,88 x 10^-9 x (10² / 0,517 x 10^-6)

R = 3,072 Ω

Toutes les unités sauf les ohms se simplifient pour R.

Remarquez que 3,072 Ω pour 100 m représente approximativement 1/10 de la résistance de 33,8 Ω d'un fil de cuivre n° 20 de 1000 m de longueur pris dans le tableau 10-1, ce qui prouve que la résistance est proportionnelle à la longueur.

Exemple 3

Quelle est la résistance de 100 m de fil de cuivre n° 23?

Réponse

R = p (l/A) = 15,88 x 10^-9 x (10² / 0,259 x 10^-6)

R = 6,13 Ω

Remarquez qu'en augmentant de 3 le numéro du fil, on réduit sa section de moitié et on double approximativement sa résistance, et cela pour une même longueur de fil.

Exemple 4

Quelle est la résistance d'une plaquette de germanium de 2 mm de longueur et de 100 mm² de section?

Réponse

R = p (l/A) = 0.55 Ω • m x (2 x 10^-3) / 100 x 10^-6 m²)

R = 11 Ω

Types de fils résistants

Pour réaliser les éléments chauffants comme ceux d'un grille-pain, d'une lampe à incandescence ou d'un filament chauffant, il faut utiliser du fil plus résistant que les bons conducteurs comme l'argent, le cuivre ou l'aluminium.

On préfère utiliser des résistances plus élevées de manière à obtenir la puissance PR que l'on désire dissiper dans la résistance sans courant excessif.

Les fils résistants sont typiquement en matériaux comme le tungstène, le nickel ou le fer et des alliages, tels le manganin, le nichrome et le constantan.

Un alliage est obtenu par une fusion de différents éléments, sans qu'il y ait de réaction chimique entre eux. On réalise couramment des alliages pour modifier les caractéristiques physiques des métaux.

Ces fils portent habituellement le nom de fils résistants, du fait que leur résistance est, pour la même longueur, beaucoup plus grande que celle du cuivre.

Problèmes pratiques 10.8 (réponses à la fin du chapitre)

(a) Dire si un fil de nichrome est plus ou moins résistant qu'un fil de cuivre.

(b) Soit un fil de cuivre de numéro de jauge 14 de 30 m de longueur et de résistance 0,26 Ω.

Déterminer la résistance d'un fil semblable, mais de longueur 300 m.

10.9 COEFFICIENT DE TEMPÉRATURE DES RÉSISTANCES

Ce coefficient représenté par le symbole α (alpha) indique de combien varie une résistance pour une variation donnée de température.

Si α est positif, la résistance R augmente avec la température; si α est négatif, R diminue; si a est nul, cela signifie que la résistance reste constante.

Le tableau 10-4 indique des exemples de valeurs de a pour des métaux à 0°C.

Coefficient α positif

Tous les métaux à l'état pur, comme le cuivre et le tungstène, ont un coefficient de température positif.

Pour le tungstène, par exemple, le coefficient a est égal à 0,0055.

Bien que a ne soit pas rigoureusement constant, on peut approximativement calculer l'accroissement de résistance d'un fil, pour une élévation de température donnée, par la formule

(10.2)

où Ro est la résistance à 0°C, Rt est la résistance la plus élevée à la plus haute température, et Δt est l'élévation de température au-dessus de 0°C.

Exemple 5

Un fil de tungstène a une résistance de 14 Ω à 0°C.

Calculez sa résistance à 100°C.

Réponse

Dans ce cas, l'élévation de température Δt est de 100°C; α est de 0,0055.

En remplaçant ces valeurs dans la formule (10-2), on obtient:

Rt= 14 + 14 (0,0055x100) = 14 + 7,7

Rt=21,7 Ω

La résistance supplémentaire de 7,7 Ω augmente d'environ 50 % la résistance du fil et elle est due à une élévation de température de 100°C.

Pratiquement, un coefficient α positif signifie que la résistance augmente lorsque le fil s'échauffe. Alors, pour une tension appliquée donnée, le courant I diminue.

Coefficient α négatif

On remarque que le coefficient α du carbone est négatif. D'une façon générale, α est négatif pour tous les semi-conducteurs y compris le germanium et le silicium.

Toutes les solutions électrolytiques comme les mélanges d'acide sulfurique et d'eau ont aussi un coefficient α négatif.

Un coefficient α négatif, signifie que la résistance est plus faible à températures plus élevées.

La résistance des diodes semi-conductrices et des transistors peut être considérablement réduite quand ces composants s'échauffent sous l'effet du courant de charge normal.

Un coefficient α négatif trouve des applications pratiques dans les thermistances au carbone. On peut monter une thermistance en série de manière que sa résistance diminue pour compenser l'augmentation de la résistance des fils conducteurs à chaud.

Coefficient α nul

Ce cas correspond à une résistance qui reste constante quand la température varie.

Des alliages comme le constantan et le nichrome, par exemple, ont un coefficient α nul. On peut les utiliser pour construire des résistances bobinées de précision dont la résistance ne varie pas quand la température augmente.

Résistance à chaud

Avec des fils résistants en tungstène, en nichrome, en fer ou en nickel, il existe habituellement une grande différence entre la résistance d'un fil chaud en fonctionnement normal et celle d'un fil froid qui n'est pas traversé par son courant de charge normal.

En effet, la résistance augmente avec la température, le coefficient de température étant positif pour ces matériaux, comme indiqué au tableau 10-4.

À titre d'exemple, le filament de tungstène d'une lampe à incandescence de 100 W, 120 V est traversé par un courant de 0,833 A quand la lampe éclaire à la brillance normale avec sa puissance nominale, puisque I = P/V.

D'après la loi d'Ohm, la résistance à chaud est V / I, soit 120 V / 0,833 A, c'est-à-dire 144 Ω.

Mais si l'on mesure la résistance du filament à l'ohmmètre quand la lampe n'est pas allumée, la résistance à froid n'est que de 10 Ω environ.

Les résistances chauffantes en nichrome des appareils électroménagers et les filaments de tungstène des tubes à vide ont également une température qui monte de plusieurs centaines de degrés en fonctionnement normal.

Dans ces exemples, on ne peut mesurer à l'ohmmètre que la résistance à froid, et la résistance à chaud doit se calculer à partir des valeurs de tension et de courant mesurées quand le courant de charge est normal.

Exemple 6

Le filament d'un tube à vide est chauffé sous 6,3 V avec un courant de charge normal de 0,3 A.

Quelle est sa résistance à chaud?

Réponse R= V / I = 6,3 / 0,3

R = 21 Ω

On remarquera que la résistance à froid du même filament mesurée à l'ohmmètre est de 2 Ω, c'est-à-dire environ le dixième de la résistance à chaud.

Supraconductivité

L'effet inverse de l'accroissement de résistance avec la température s'obtient en refroidissant un métal à très basse température pour en réduire la résistance.

Au voisinage du zéro obsolu, 0 K ou -273°C, certains métaux perdent brutalement toute leur résistance.

L'étain, par exemple, devient supraconducteur quand il est refroidi par de l'hélium liquide à 3,7 K.

On peut alors produire des courants extrêmement grands qui créent des champs électromagnétiques très puissants. Les travaux effectués à des températures très basses, voisines du zéro absolu, constituent ce que l'on appelle la cryogénie.

Problèmes pratiques 10.9 (réponses à la fin du chapitre)

Répondre par vrai ou faux:

(a) La résistance des conducteurs métalliques augmente avec la température;

(b) Une thermistance présente un coefficient de température négatif.

10.10 COURANT IONIQUE DANS LES LIQUIDES ET DANS LES GAZ

Quand on parle de conducteur, on pense habituellement à un fil métallique, mais il y a d'autres possibilités.

Des liquides comme l'eau salée ou l'acide sulfurique étendu permettent aussi le mouvement des charges électriques. Comme exemple de gaz conducteur, on peut considérer les tubes à néon dans lesquels le néon sert de conducteur.

Le mécanisme de conduction peut être différent dans les fils métalliques, les liquides ou les gaz, mais dans chaque cas, le courant est un déplacement de charges.

En outre, les charges mobiles qui créent le courant peuvent être positives ou négatives.

La valeur du courant est Q/t. Une charge de un coulomb par seconde correspond à un courant de un ampère.

Dans les corps solides comme les métaux, les atomes ne sont pas libres de se déplacer les uns par rapport aux autres.

Par conséquent, la conduction électrique doit se faire par le déplacement des électrons libres. Chaque atome reste neutre, sans gagner ni perdre de charge, mais les métaux sont de bons conducteurs parce qu'ils ont beaucoup d'électrons libres que l'on peut faire déplacer dans la substance solide.

Mais dans les liquides et les gaz, chaque atome peut se déplacer librement parmi les autres atomes parce que la substance n'est pas solide.

Par conséquent, les atomes peuvent facilement prendre ou perdre des électrons, en particulier les électrons de valence de la couche périphérique.

L'atome ainsi formé n'est plus neutre électriquement.

L'addition d'un ou de plusieurs électrons produit une charge négative; la perte d'un ou de plusieurs électrons forme une charge positive.

Les atomes chargés sont des ions.

Ces particules chargées se forment couramment dans les liquides et les gaz.

L'ion

Un ion est un atome qui a une charge électrique, soit positive, soit négative, créée par la perte ou le gain d'électrons.

La figure 10-13 représente en (a) l'atome de sodium neutre avec 11 charges positives dans le noyau, équilibrées par 11 électrons placés sur les couches extérieures.

Figure 10-13 Formation des ions:

(a) sodium normal, atome Na; (b) sodium chargé positivement, ion Na+.

Cet atome n'a qu'un seul électron sur la couche périphérique la plus éloignée du noyau. Quand le sodium est en solution liquide, cet électron peut facilement quitter l'atome.

Peut-être parce qu'un autre atome proche a besoin d'un électron pour compléter à huit le nombre d'électrons de sa couche périphérique et la stabiliser.

Remarquez que si l'atome de sodium perd un électron de valence, l'atome aura toujours une couche extérieure de huit électrons, comme on peut le voir en (b). Cet atome de sodium est maintenant un ion positif avec une charge égale à un proton.

Un ion conserve les caractéristiques de l'élément original parce que son noyau n'est pas changé.

Courant ionique

De même que pour une circulation d'électrons, des charges ioniques opposées s'attirent tandis que des charges de même signe se repoussent. Le mouvement d'ions qui en résulte crée un courant électrique.

Dans les liquides et dans les gaz, la conduction électrique résulte donc surtout du mouvement des ions.

On appelle ce mouvement des charges ioniques le courant ionique.

Comme un ion comprend un noyau de l'atome, l'ion chargé est plus lourd que l'électron chargé et se déplace beaucoup plus lentement.

On peut dire que les charges ioniques sont moins mobiles que les charges électroniques.

Le sens du courant d'ionisation peut être identique ou opposé à celui de la circulation d'électrons. Quand des ions négatifs se déplacent, ils sont attirés par la borne positive de la tension appliquée, comme des électrons.

Mais quand des ions positifs se déplacent, ce courant d'ionisation est dans la direction opposée à la borne négative de la tension appliquée.

Mais, quel que soit son sens, l'intensité du courant d'ionisation est déterminée par la vitesse à laquelle se déplacent les charges.

Si une charge ionique positive de 3 C passe en une seconde par un point donné, le courant est de 3 A, exactement comme dans le cas de 3 C de charge d'ions négatifs ou 3 C de charges électroniques.

Ionisation dans les liquides

Des ions se forment couramment dans les liquides quand on dissout des sels ou des acides dans l'eau. L'eau est un bon conducteur par suite de l'ionisation, mais l'eau pure distillée est un isolant.

En outre, des métaux plongés dans des solutions acides ou alcalines provoquent l'ionisation. Les liquides rendus bons conducteurs par suite de l'ionisation sont appelés des électrolytes.

En général, les électrolytes ont une valeur négative pour leur coefficient α car, aux températures élevées, l'ionisation est plus importante et abaisse la résistance.

Ionisation dans les gaz

Les gaz ont un potentiel minimal d'ionisation, ou tension d'amorçage, qui représente la plus petite tension appliquée capable d'ioniser le gaz.

Avant l'ionisation, le gaz est un isolant, mais le courant d'ionisation confère une résistance faible au gaz ionisé. Habituellement, le gaz ionisé devient luminescent.

L'argon, par exemple, émet une lumière bleue quand le gaz est ionisé. Le néon ionisé émet de la lumière rouge.

La tension nécessaire pour atteindre l'amorçage varie avec la nature du gaz et dépend de la pression du gaz.

Par exemple, un tube à néon servant à l'éclairage s'ionise à environ 70 V.

Liaisons ioniques

L'ion de sodium de la figure 10-14 a une charge de +1 parce qu'il lui manque un électron.

Figure 10-14 Liaison ionique entre atomes de sodium {Na) et de chlore (Cl) pour former une molécule de chlorure de sodium (NaCl).

Si des ions positifs de ce type se trouvent à proximité d'ions négatifs de charge -1, il se produit une attraction électrique qui constitue une liaison ionique.

L'association des ions de sodium (Na) et des ions de chlore (Cl) dans le sel de table (NaCl), comme on l'indique à la figure 10-14, en constitue un exemple.

On remarque que l'électron extérieur 1 de l'atome de sodium peut s'introduire dans la couche à sept électrons de l'atome de chlore.

Quand ces deux éléments sont combinés, l'atome de sodium cède l'électron 1 en formant un ion positif dont la couche L est stable avec ses huit électrons; l'atome de chlore prend cet électron 1 en formant un ion négatif dont la couche M est stable avec ses huit électrons.

Ces deux types d'ions opposés sont liés dans NaCl par la force d'attraction puissante qui s'exerce entre des charges opposées proches l'une de l'autre.

Les ions du chlorure de sodium NaCl peuvent se séparer dans l'eau en rendant l'eau salée conductrice de l'électricité alors que l'eau pure n'est pas conductrice.

Quand un courant circule dans l'eau salée, les charges mobiles doivent être des ions, ce qui est un autre exemple du courant d'ionisation.

On considérera les définitions suivantes des atomes et des molécules en se référant à la figure 10-14.

Les atomes de sodium (Na) et chlore (Cl), à gauche, sont des atomes neutres car leurs charges sont équilibrées.

Les atomes chargés de chlorure de sodium (NaCl), à droite, sont des ions. L'association de deux ou plusieurs atomes forme une molécule.

Quand la combinaison d'atomes constitue une nouvelle substance, le résultat est une molécule d'un nouveau composé.

On a représenté ici une molécule de NaCl. Mais, deux ou plusieurs atomes du même élément peuvent aussi se grouper pour former une molécule de l'élément.

Problèmes pratiques 10.10 (réponses à la fin du chapitre)

(a) Calculer le courant / correspondant à une charge ionique positive de 2 C/s.

(b) Qui a la plus grande mobilité: les ions positifs, les ions négatifs ou les électrons?

10.11 CHARGES DES ÉLECTRONS ET DES TROUS DANS LES SEMI-CONDUCTEURS

Les matériaux semi-conducteurs comme le germanium et le silicium forment une classe particulière de conducteurs, car les porteurs de charges qui assurent la circulation du courant ne sont ni des ions, ni des électrons de valence libres.

Comme ces éléments ont une valence de ±4, leurs tendances à gagner ou à perdre des électrons pour former une couche stable à huit électrons sont identiques.

Par conséquent, les atomes de ces éléments ont tendance à se partager leurs électrons extérieurs deux à deux.

À la figure 10-15, on donne l'exemple de deux atomes de silicium (Si) dont chacun partage ses quatre électrons de valence avec l'autre atome, pour former une molécule Si₂.

Figure 10-15 Liaison covalente entre atomes de silicium (Si).

Une combinaison d'atomes comme celle-ci dans laquelle des atomes partagent leurs électrons extérieurs pour former une molécule stable est appelée liaison covalente.

La structure à liaison covalente du germanium et du silicium est à la base de l'emploi de ces matériaux dans les transistors.

Ceci s'explique parce que la structure à liaison covalente tout en étant électriquement neutre permet d'ajouter des charges en dopant le semi-conducteur avec une faible quantité d'atomes d'impuretés.

Par exemple, le silicium qui a une valence de 4 est associé à du phosphore qui a une valence de 5. Le silicium dopé à donc des liaisons covalentes avec un excès d'un électron par atome d'impuretés, c'est-à-dire de phosphore. Il en résulte un semi-conducteur négatif, dit de type N.

Dans le cas opposé, on peut doper le silicium avec de l'aluminium dont la valence est 3. Les liaisons covalentes formées avec les atomes d'impuretés ont donc sept électrons extérieurs au lieu de huit, comme dans le cas de deux atomes de silicium.

L'électron qui manque à chaque liaison covalente avec un atome d'impuretés correspond à une charge positive appelée trou.

La charge de chaque trou est de 0,16 x 10^-18 C; c'est la même que la charge de l'électron, mais avec la polarité opposée. Ce type de dopage forme un semi-conducteur de type P qui possède des charges de trous positives.

Dans les semi-conducteurs, soit de type P, soit de type N, on peut faire déplacer les charges en appliquant une tension qui produit un courant.

Quand des électrons se déplacent, la direction du courant est la même que celle d'une circulation d'électrons.

Quand des charges positives des trous se déplacent, la direction est opposée à celle d'un courant d'électrons.

Que ce soit des charges d'électrons ou des charges de trous, quand une charge de 1 C passe par seconde en un point donné, le courant est de 1 A. Cependant, les électrons ont une plus grande mobilité que les trous.

Pour réaliser des transistors, on associe des semi-conducteurs de type négatif et de type positif.

Dans un transistor PNP, le matériau de type N est intercalé entre deux matériaux de type P.

Dans le cas opposé où un matériau de type P est intercalé entre deux matériaux de type N, on obtient un transistor de type NPN.

Au chapitre 30, on traite avec plus de détails des semi-conducteurs en général et des composants semi-conducteurs et transistors en particulier, comme ceux que l'on emploie couramment dans les circuits amplificateurs; il explique aussi le fonctionnement des diodes semi-conductrices et des transistors.

Problèmes pratiques 10.11 (réponses à la fin du chapitre)

(a) Quelle est la polarité des charges de trous dans les semi-conducteurs dopés de type P?

(b) Quelle est la valence du silicium et celle du germanium?

10.12 ISOLANTS

Les substances qui ont une résistance très élevée, de l'ordre de plusieurs mégohms, sont classées comme isolants.

Avec une résistance aussi élevée, un isolant ne peut pas conduire de courant notable quand on lui applique une tension.

Il en résulte que les isolants peuvent remplir l'une des deux fonctions suivantes: la première consiste à isoler des conducteurs pour empêcher la conduction entre eux; la seconde consiste à stocker une charge électrique quand on leur applique une tension.

Un isolant conserve sa charge puisque des électrons ne peuvent pas circuler pour neutraliser cette charge.

Les isolants sont couramment appelés matériaux diélectriques, ce qui signifie qu'ils peuvent conserver une charge.

Parmi les meilleurs isolants ou diélectriques on peut citer: l'air, le vide, le caoutchouc, la cire, la laque, le verre, le mica, la porcelaine, l'huile, le papier sec, les fibres textiles et les plastiques comme la bakélite, le formica et le polystyrène.

L'eau pure est un bon isolant, mais pas l'eau salée. La terre humide est un assez bon conducteur, tandis que la terre sèche, sableuse est un isolant.

Quel que soit l'isolant, on peut appliquer une tension suffisamment élevée pour détruire la structure interne du matériau en forçant le diélectrique à devenir conducteur.

Ce claquage du diélectrique est habituellement provoqué par un arc qui brise la structure physique du matériau en le rendant inutilisable comme isolant.

Au tableau 10-5, on compare plusieurs isolants en fonction de leur rigidité diélectrique qui correspond à leur tension de claquage.

Plus la rigidité diélectrique est élevée, meilleur est l'isolant puisqu'il risque moins de claquer pour une forte valeur de tension appliquée.

Les valeurs de rigidité diélectrique du tableau 10-5 sont des valeurs approximatives pour une épaisseur normalisée de 1 mm. Une épaisseur plus grande permet une tension de claquage plus élevée.

Courant de décharge d'un isolant

Un isolant en contact avec une source de tension emmagasine des charges en formant un potentiel sur l'isolant.

La charge a tendance à rester sur l'isolant, mais l'isolant peut être déchargé par l'une des trois méthodes suivantes:

1. Par conduction suivant un passage conducteur

Par exemple, un fil aux bornes d'un isolant chargé constitue un passage de décharge. Le diélectrique déchargé n'a donc pas de potentiel.

2. Par effluves

Par exemple, un fil pointu à haute tension peut se décharger dans l'atmosphère environnante par ionisation des molécules de l'air. Dans l'obscurité cela se manifeste par une lueur bleuâtre ou rougeâtre, appelée effet de couronne.

3. Par décharge disruptive

Cette décharge provient d'une rupture de l'isolant sous l'effet d'une différence de potentiel élevée qui fait «claquer» le diélectrique. Le courant qui circule dans l'isolant au moment de la rupture provoque l'étincelle.

L'effet de couronne doit être empêché car il réduit le potentiel par effluves dans l'air environnant.

De plus, l'effet de couronne indique souvent le début d'une décharge disruptive. Il faut, en général, un potentiel de quelques kilovolts pour provoquer l'effet de couronne puisque la rigidité diélectrique de l'air est de 0,8 kV/mm, environ.

Pour éviter l'effet de couronne, il faut que les conducteurs soumis à de hautes tensions soient lisses, arrondis et épais.

Cela répartit la différence de potentiel entre tous les points du conducteur et l'air environnant. Tout point anguleux pouvant être soumis à un champ plus intense sera plus propice à l'effet de couronne et à une éventuelle décharge disruptive.

Problèmes pratiques 10-12 (réponses à la fin du chapitre)

(a) Lequel, du mica ou de l'air, a la tension de claquage la plus élevée?

(b) Est-ce qu'une tension de 30 kV appliquée aux bornes d'un entrefer de 25 mm créera un arc?

Résumé

1. Un conducteur a une résistance très faible. Tous les métaux sont de bons conducteurs, les meilleurs étant: l'argent, le cuivre et l'aluminium. On utilise en général du cuivre pour fabriquer les fils conducteurs.

2. Les dimensions des fils de cuivre sont définies par l'Association canadienne de l'électricité. Plus le numéro des fils est grand, plus ils sont fins. On utilise couramment des fils n° 22 pour le montage des circuits électroniques et des fils n° 14 pour les installations domestiques.

3. La section d'un fil cylindrique se mesure en millimètres carrés ou en millièmes circulaires. Un millième est égal à 0,001 pouce. La section en millièmes circulaires est égale au carré du diamètre exprimé en millièmes de pouce.

4. La résistance d'un fil est R = p (l/A). Le coefficient p est la résistivité. La résistance croît avec la longueur, mais elle est inversement proportionnelle à la section A du fil ou au carré du diamètre.

5. Un interrupteur monté d'un côté d'un circuit ouvre tout le circuit. Un interrupteur ouvert est soumis à toute la tension appliquée.

6. Un fusible protège les composants d'un circuit contre les surcharges, puisqu'un courant trop élevé fait fondre le fusible et interrompt tout le circuit. Un bon fusible a une très faible résistance et n'a pratiquement pas de tension à ses bornes.

7. L'ionisation dans les liquides et les gaz forme des atomes qui ne sont pas électriquement neutres, ce sont des ions. Des ions négatifs ont un excès d'électrons; des ions positifs manquent d'électrons. Dans les liquides et dans les gaz, le courant électrique est dû au mouvement des ions.

8. Dans les semi-conducteurs comme le germanium et le silicium, les porteurs de charges sont des électrons dans les matériaux de type N et des trous dans les matériaux de type P.
La charge d'un trou est de 0,16 x 10^-18C, comme pour l'électron.

9. La résistance des métaux purs augmente avec la température. La résistance des semi-conducteurs et des électrolytes liquides diminue aux températures plus élevées.

10. Un isolant a une résistance très élevée. On utilise couramment comme isolants: l'air, le vide, le caoutchouc, le papier, le verre, la porcelaine, la gomme laque et les matières plastiques. Les isolants sont aussi appelés des diélectriques.

Exercices de contrôle
(Réponses aux exercices de contrôle)

Voici un moyen de contrôler si vous avez bien assimilé le contenu de ce chapitre. Ces exercices sont uniquement destinés à vous évaluer vous-même.

Choisir (a), (b), (c) ou (d).

1. Une longueur de 1 m de fil conducteur en cuivre n° 20 a une résistance totale de:

(a) moins de 1 Ω; (b) 5 Ω; (c) 10,4 Ω; (d) environ 1MΩ.

2. Un fil conducteur en cuivre de 0,2 pouce de diamètre a une section de:

(a) 200 millièmes circulaires; (b) 400 millièmes circulaires; (c) 20 000 millièmes circulaires;

(d) 40 000 millièmes circulaires.

3. Si on double la longueur d'un fil conducteur ayant une résistance de 0,1 Ω, sa résistance devient:

(a) 0,01 Ω; (b) 0,02 Ω; (c) 0,05 Ω; (d) 0,2 Ω.

4. Si on connecte deux fils conducteurs en parallèle, leur résistance totale est:

(a) le double de la résistance d'un seul fil; (b) la moitié de la résistance d'un seul fil;

5. La résistance à chaud du filament de tungstène d'une lampe est plus grande que sa résistance à froid parce que le coefficient de température du filament est:

(a) négatif; (b) positif; (c) nul (d) environ de 10 Ω par degré.

6. Un interrupteur fermé a une résistance:

(a) nulle; (b) infinie; (c) de 100 Ωenviron, à température ambiante; (d) de 1000 Ω au moins.

7. Un fusible coupé a une résistance:

(a) nulle; (b) infinie; (c) de 100 Ω environ à température ambiante; (d) de 1000 Ω au moins.

8. Les isolants sont destinés à :

(a) conduire des courants très intenses; (b) éviter un circuit ouvert entre la source de tension et la charge;

9. Un ion est:

(a) un électron libre; (b) un proton; (c) un atome dont les charges sont en déséquilibre;

(d) un noyau sans protons.

10. Un courant d'ionisation dans les liquides et dans les gaz est dû à une circulation:

(a) d'électrons libres; (b) de protons; (c) d'ions positifs ou négatifs; (d) d'ions plus légers que les électrons.

Questions

1. Citez trois métaux bons conducteurs» dans l'ordre de leurs résistances. Donnez une application.

2. Citez quatre isolants. Donnez une application.

3. Citez deux semi-conducteurs. Donnez une application.

4. Citez deux types de fil résistant. Donnez une application.

5. Qu'entend-on par rigidité diélectrique d'un isolant?

6. Pourquoi l'ionisation se produit-elle plus facilement dans les liquides et dans les gaz, comparativement aux solides métalliques? Donnez un exemple de courant d'ionisation.

7. Définissez les termes suivants: ion, liaison ionique, liaison covalente, molécule.

8. Dessinez un circuit comprenant deux lampes, une batterie et un commutateur unipolaire à deux directions qui détermine la lampe qui éclaire.

9. Pourquoi est-il impossible de mesurer la résistance à chaud d'un filament avec un ohmmètre?

10. Indiquez un aspect sous lequel des charges d'ions négatifs sont semblables à des charges d'électrons et un aspect sous lequel elles sont différentes.

Problèmes

(Réponses aux problèmes de numéro impair)

1. Un fil de cuivre a un diamètre de 0,81 mm.

(a) Quelle est sa section en millimètres carrés? (b) Quel est son numéro dans la normalisation AWG?

2. Tracez le schéma d'une résistance en série avec un commutateur unipolaire, unidirectionnel et une source de 100 V.

(a) Le commutateur étant ouvert, quelle est la tension aux bornes de la résistance?

Quelle est la tension aux bornes du commutateur ouvert?

(b) Le commutateur étant fermé, quelles sont les tensions aux bornes de la résistance et du commutateur?

(c) Est-ce que les chutes de tension dans les différents éléments du circuit en série s'ajoutent pour former, dans chaque cas, une tension égale à celle de la tension appliquée?

3. Tracez le schéma d'un fusible en série avec la résistance d'une lampe de 100 W, 120 V, branchée à une source de 120 V.

(a) Quel calibre de fusible peut-on utiliser? (b) Quelle est la tension aux bornes d'un fusible en bon état?

4. Comparez la résistance de deux conducteurs: 30 m de fil de cuivre n° 10 et de 60 m de fil de cuivre n° 7.

5. Quelle est la résistance à chaud d'une lampe de 300 W, 120 V, fonctionnant avec son courant de charge normal?

6. Quelle est la résistance d'une lamelle de silicium de 0,1 cm de longueur et de 1 cm² de section?

7. Un câble constitué de deux longueurs de fil de cuivre n° 10 est court-circuité à une extrémité. La résistance mesurée du côté ouvert est de 10 Ω.

Quelle est la longueur du câble en mètres? (Température 25°C.)

8. (a) Combien faut-il de charges de trous pour former une charge de 1 C?

(b) Combien faut-il d'électrons?

9. (a) Si un fil de cuivre a une résistance de 4Ω à 0°C, quelle est sa résistance à 75°C?

(b) Si ce fil est de n° 10, quelle est sa longueur en mètres?

10. Une bobine comprend 3000 spires de fil de cuivre n° 20.

Si la longueur moyenne d'une spire est de 10 cm, quelle est la résistance totale de la bobine?

Quelle sera sa résistance si on prend du fil n° 30 au lieu du fil n° 20? (Température 25°C.)

11. Calculez la chute de tension aux bornes de 331,86 m de fil n° 10 branché sur une charge de 2 A. (Température 0°C.)

12. Quelle est la plus petite dimension de fil de cuivre qui limite à 5 V la chute de tension en ligne quand on applique 120 V et que le courant de charge est de 6 A?

La longueur totale de la ligne est de 60 m.

Figure 10-16 Pour les problèmes 13 et 14.

13. En vous reportant à la figure 10-16, calculez le courant de charge I pour une chute de tension IR de 24,6 V qui ramène VR à 95,4 V pour une tension appliquée de 120 V. (Température 20°C.)

14. Calculez RL d'après la figure 10-16.