Un conducteur contient des porteurs de charge libres de se déplacer ; le cuivre et l’aluminium sont les choix habituels pour le câblage car ils allient faible résistivité et facilité de mise en œuvre mécanique. Un isolant retient fortement ses charges, ce qui explique son usage autour des conducteurs. Un semi-conducteur se situe entre les deux et sa conductivité peut être contrôlée, ce qui fonde le fonctionnement des diodes et des transistors.
Résistance d’un conducteur
Pour un conducteur uniforme à une température donnée, la résistance augmente avec la longueur et diminue lorsque la section augmente. La propriété du matériau qui les relie est la résistivité.
Résistance d’un fil de cuivre
Problem. Un conducteur en cuivre mesure 20 m de long avec une section de 1,5 mm². Prenez ρ = 1,72 × 10⁻⁸ Ω·m. Estimez sa résistance.
Solution. A = 1,5 mm² = 1,5 × 10⁻⁶ m². R = (1,72 × 10⁻⁸ × 20) ÷ (1,5 × 10⁻⁶) = 0,229 Ω, soit environ 0,23 Ω.
Circuits ouvert, fermé et court-circuit
Un circuit fermé présente un trajet continu depuis la source, à travers la charge utile, puis le retour. Un circuit ouvert interrompt ce trajet : le courant s’arrête. Un court-circuit offre un trajet de très faible résistance en contournant la charge prévue : le courant peut augmenter fortement et solliciter la source, le câblage ou le dispositif de protection.
- Circuit fermé : le courant circule normalement dans la charge prévue.
- Circuit ouvert : aucun courant ne circule ; la tension de source apparaît en entier aux bornes de la coupure.
- Court-circuit : le courant contourne la charge et n’est limité que par la résistance de la source et du câblage.
- Un court-circuit partiel ou une connexion à résistance élevée se comporte comme une résistance série supplémentaire et provoque chaleur et chute de tension.
- Le cuivre et l’aluminium sont des conducteurs courants ; l’isolant maintient le courant sur son trajet prévu.
- La résistance d’un conducteur augmente avec la longueur et diminue avec la section.
- Un circuit ouvert arrête le courant ; un court-circuit contourne la charge.
- Une connexion à résistance élevée provoque chute de tension et échauffement local.
Worked example
Un conducteur en aluminium de 2,5 mm² a une résistivité supérieure à celle du cuivre : pour la même longueur et le même courant, il chute davantage de tension et dissipe plus de chaleur. C’est pourquoi matériau, longueur, section et courant doivent être étudiés ensemble lors de la conception d’un circuit.