Les propriétés de la matière

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CC BY-NC-SA 4.0 International

Cet éclairage scientifique présente quelques propriétés spécifiques de la matière : conduction ou isolation, dilatation, magnétisme, élasticité ou plasticité, ... Les notions abordées ont pour objectif de mieux comprendre certains phénomènes de la vie quotidienne.

Conducteurs et isolants

Tous les matériaux ne laissent pas passer le courant avec la même facilité. Ceux qui laissent passer le courant électrique facilement sont considérés comme de bons conducteurs d'électricité. Pour l'essentiel, ce sont les métaux (le cuivre, le fer, l'aluminium). Les fils électriques et les bornes des éléments de circuit sont des éléments métalliques. Dans un métal, certains électrons sont moins fortement liés au noyau des atomes. On les appelle des électrons libres. Ils se déplacent dans le réseau
d'atomes qui eux ne bougent pas. Lorsqu'on ferme le circuit électrique, il apparaît tout au long du circuit une force électrique qui met en mouvement les électrons simultanément. Ce déplacement d'électrons constitue le courant électrique.
Certains matériaux sont de mauvais conducteurs comme l'eau et le corps humain. (Attention ! ils sont quand même un peu conducteur !) L'eau très pure ne conduit pas le courant. Par contre, dès qu'elle contient quelques impuretés, ces dernières peuvent se déplacer dans l'eau qui devient alors conductrice. Plus l'eau contient de sels dissous et mieux elle conduit le courant.
Enfin, les matériaux comme les matières plastiques, le verre, la porcelaine, le caoutchouc, l'air sec, le bois sec sont dits isolants. Dans les conditions habituelles d'utilisation, ils ne permettent pas le passage du courant.
Au début du siècle, la partie extérieure des prises électriques était en bois ou en porcelaine, puis on utilisa la bakélite qui fut progressivement remplacée par une autre matière plastique. La céramique et le verre sont également de très bons isolants. Les bougies en forme de lampion au bout desquels sont suspendues les lignes haute-tension sont généralement faites avec ces matériaux.

Conduction thermique

Le transfert d'énergie thermique permet de compenser la différence de température entre deux milieux.
Les trois modes de transfert thermique sont la conduction, le rayonnement et la convection.

Seule la conduction assure un bon transfert de chaleur à travers les solides. Par exemple, lorsqu'on chauffe un barreau métallique à l'une de ses extrémités, l'autre extrémité s'échauffe progressivement. Si l'on chauffe suffisamment longtemps, l'objet métallique aura la même température en tout point. La chaleur s'est propagée à partir de l'extrémité chauffée dans tout le reste du matériau. Le barreau métallique a "conduit" de la chaleur : cette propriété s'appelle la conduction thermique.
Si l'on arrête subitement de chauffer l'extrémité du barreau métallique, la température diminuera progressivement puis le barreau retrouvera sa température initiale en l'occurrence celle de l'air ambiant.
La chaleur transmise à travers les murs ou le plancher d'une maison se fait par conduction thermique.
Les bons conducteurs de chaleur sont souvent de bons conducteurs électriques.

La convection

Le mouvement de l'eau qui bout dans une casserole que l'on chauffe relève du phénomène de la convection ; l'eau des zones les plus chaudes (celles qui sont au fond de la casserole) se dilatent et s'élèvent (poussée d'Archimède) tandis que celle des zones les plus froides descendent. Le mouvement d'ensemble des molécules d'eau dû à des différences de température est ce qu'on appelle la convection naturelle.

Phénomène de convection.

Le rayonnement

Le rayonnement est totalement différent des deux autres types de transfert d'énergie par chaleur puisque les substances qui échangent de la chaleur n'ont pas besoin d'être en contact. Le rayonnement est l'émission d'ondes électromagnétiques par un corps chauffé. La Terre reçoit sa chaleur du Soleil essentiellement par rayonnement (les corps de couleur sombre absorbent davantage le rayonnement lumineux que ceux de couleur claire).

Les isolants thermiques

Ils empêchent la chaleur de se propager. Les isolants thermiques sont des matériaux qui conduisent mal la chaleur. Par exemple, pour éviter la propagation de la chaleur par conduction dans les habitations, on utilise de la laine de verre. Ainsi on réalise une isolation thermique. Le bois, le liège, l'air (présent entre les deux vitres d'un double vitrage) sont aussi de bons isolants.

Dilatation

La masse d'un corps solide ne change pas si on le déforme sans rien lui enlever ou lui ajouter. Pour un liquide, ou pour un gaz, la masse non plus ne change pas si on le transvase sans en perdre. Si on chauffe un corps solide ou une quantité fixe de liquide ou de gaz, la masse ne change pas non plus. Mais on peut constater que le volume augmente.

Cas des solides

Si on chauffe un solide, sa température augmente, son volume devient plus grand. On dit que le solide se dilate; il y a dilatation.
Si le solide se refroidit, son volume devient plus petit. Il y a contraction.
Pourtant, si on regarde une tige de fer ou une boule de cuivre que l'on chauffe fortement, on ne les voit pas, en général, augmenter de volume. La dilatation des solides est toujours très petite. Par ailleurs tous les solides ne se dilatent pas tous de la même façon.

Quelques valeurs numériques

Un pont métallique de 100 m de long peut s'allonger de 6 cm quand il est chauffé par le soleil en été.

Allongement d'une barre de fer

longueur de la barre (en m)

1

1

100

100

élévation de température (°C)

1

100

1

100

allongement (en mm)

0,012

1,2

1,2

120

L'allongement d'une barre dépend de sa longueur et de l'augmentation de température.

Une application :
Dans certains thermomètres, il y a un bilame obtenu en soudant deux lames de métaux différents ayant des dilatations différentes.

Cas des liquides

Si on chauffe un liquide placé dans un récipient, le liquide emplit davantage le récipient. Son volume augmente plus que celui du récipient. Cela n'est pas toujours très visible, mais si on utilise un tube assez fin on voit bien le liquide emplir progressivement le tube. C'est ce qui se passe dans un thermomètre à liquide. Dans ces thermomètres le liquide peut être du mercure ou de l'alcool. Le mercure se dilate 7 fois plus que le verre ordinaire, l'alcool 50 fois plus.

Cas des gaz

Si on chauffe avec les mains l'air d'un ballon de verre dont l'ouverture se trouve dans l'eau, on voit des bulles s'échapper. Le volume de l'air devient plus grand que celui du ballon et de l'air s'échappe du ballon. Si le récipient qui contient le gaz est peu déformable, le volume de gaz ne peut pas augmenter. C'est alors la pression du gaz qui augmente et le récipient peu éclater. Il arrive qu'un ballon de baudruche exposé au soleil éclate. Un pneu trop chauffé peut aussi éclater. L'air et tous les autres gaz se dilatent ou voient leur pression augmenter si on les chauffe.

Au total : Les gaz se dilatent beaucoup; les liquides, un peu; les solides, très peu.

UNE CONSÉQUENCE IMPORTANTE : LA VARIATION DE MASSE VOLUMIQUE

Lorsqu'un objet se dilate, sa masse ne change pas, mais son volume augmente. La masse volumique de la substance avec laquelle est fait l'objet diminue. Pour les solides qui se dilatent très peu, la masse volumique change très peu avec la température. Pour les liquides, la dilatation est plus grande pour une même variation de température ; la masse volumique diminue sensiblement. Pour les gaz, la dilatation est encore plus grande pour une même variation de température. Si le gaz n'est pas enfermé dans un récipient, sa masse volumique diminue beaucoup lorsque sa température augmente. C'est le cas de l'air chaud. Ainsi quand on dit que l'air chaud monte, c'est parce que une quantité d'air chaud est plus légère que la même quantité d'air froid.

Le bilame

En soudant ensemble, sur toute leur longueur, deux lamelles minces de métaux différents on obtient un bilame. Si la température s'élève, les deux métaux se dilatent; l'un des métaux se dilate plus que l'autre : le bilame se courbe. Dans certains thermomètres d'appartement, par exemple, il y a un bilame. Une de ses extrémités est fixée, l'autre est libre : elle peut se déplacer. Quand la température augmente, l'extrémité libre se courbe et fait tourner l'aiguille. L'aiguille indique la température.

Principe du bilame métallique

Magnétisme

Dans la vie quotidienne, les phénomènes magnétiques se manifestent à travers des objets que l'on utilise souvent comme les tickets à piste magnétiques (métro...), les cartes des distributeurs automatiques de banque, les punaises magnétiques...etc.
Tous ces éléments sont constitués de matériaux magnétiques plus ou moins sophistiqués. Parmi ceux-ci, on trouve les aimants qui sont des matériaux ferromagnétiques. Ils ont la propriété de s'attirer ou de se repousser entre eux et d'attirer des objets en fer, en cobalt ou en nickel .
Les substances attirées par un aimant sont des substances magnétiques.

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Action d'un aimant sur les objets en fer

Une application des aimants est la boussole qui a été utilisée pour la première fois au VIIème Siècle par des navigateurs chinois. La boussole est constituée d'une fine tige en acier aimantée. Elle possède une propriété particulière : si on la positionne n' importe où sur la Terre, l'aiguille indique toujours la même direction. L'une de ses extrémités se dirige vers le Nord magnétique terrestre (lequel est voisin du Nord géographique) appelé "pôle Nord" et par voie de conséquence l'autre vers le Sud appelé "pôle Sud". L'aiguille aimantée est soumise aux forces du champ magnétique terrestre créé par les courants électriques qui circulent à l'intérieur du globe.

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Identification des pôles d'un aimant droit

On constate aussi qu'un pôle Sud attire un pôle Nord mais que deux pôles identiques se repoussent.

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Interaction mutuelle de deux aimants

Une autre propriété caractéristique est que l'on ne peut pas séparer le pôle Nord et le pôle Sud d'un même aimant en le coupant. La coupure recrée un pôle Nord et un pôle Sud.

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Élasticité

L'élasticité est la propriété que possèdent certains corps de reprendre leur forme et leur longueur initiale quand on cesse d'exercer la force qui les déformait.
Prenons un fil d'acier et un fil d'aluminium enroulés en hélice (en forme de ressort à boudin).

Si l'on tend légèrement les deux fils, on remarque un allongement et une déformation (cf figure ci-dessous).

Puis lorsqu'on les relâche, on constate que le fil d'acier retrouve sa position et sa forme initiale tandis que le fil d'aluminium reste déformé
(cf figure ci-dessous).

L'acier a donc des caractéristiques d'élasticité contrairement à l'aluminium. L'élasticité est une transformation réversible.

Plasticité

Tous les matériaux sont plus ou moins déformables selon les contraintes qu'ils subissent. Reprenons l'exemple du fil d'acier.On peut aussi le déformer d'une façon irréversible en le tendant beaucoup plus fortement que précédemment. Ainsi le fil conserve indéfiniment sa nouvelle forme malgré la suppression de la contrainte (lorsqu'on le relâche). Cette propriété est la plasticité.
La plasticité (transformation irréversible) s'oppose à l'élasticité.

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