Les propriétés physiques du cuivre : observer, mesurer, puis comprendre ses usages

Le cuivre est un métal rouge-orangé, malléable, dense et excellent conducteur de l'électricité et de la chaleur : ces propriétés, qu'on peut observer et mesurer, expliquent pourquoi on l'utilise dans les câbles et les échangeurs thermiques.

Objectifs

Décrire l'aspect du cuivre (couleur, éclat) et ses propriétés mécaniques (malléabilité, ductilité).
Mesurer la masse volumique d'un objet en cuivre et l'utiliser pour identifier un métal.
Mettre en évidence la conductivité électrique et la conductivité thermique du cuivre.
Relier chaque propriété à un usage : câblage électrique, échangeurs thermiques, ustensiles.

Démarche : pour chaque propriété, on suit les mêmes étapes : observer → mesurer ou tester → conclure → relier à un usage.

Étape 1 : l'aspect du cuivre

Le cuivre est un métal : il a un éclat métallique quand il est poli. Sa couleur caractéristique est rouge-orangé ; c'est, avec l'or, l'un des rares métaux qui ne soient pas gris ou blanc argenté.

Avec le temps, à l'air humide, sa surface s'assombrit (couche brune d'oxyde) puis peut se couvrir d'une patine verte (vert-de-gris). Cette couche ne concerne que la surface : en grattant, on retrouve la couleur du cuivre.

Une vieille casserole en cuivre est devenue brun foncé. Pourquoi ?

Le cuivre a été remplacé par du fer
Une couche d'oxyde s'est formée en surface
Le cuivre a fondu

L'air oxyde lentement la surface du cuivre. Sous cette mince couche, le métal garde sa couleur rouge-orangé.

Étape 2 : malléabilité et ductilité

Le cuivre est malléable : on peut le marteler et l'aplatir en feuilles minces sans qu'il se brise. Il est aussi ductile : on peut l'étirer en fils très fins (on parle de tréfilage).

Test simple : on frappe au marteau un morceau de fil de cuivre et un morceau de craie (ou de charbon). Le cuivre s'aplatit, la craie s'émiette : elle est cassante.

Quelle propriété permet de fabriquer les fils fins d'un câble de chargeur de téléphone ?

La ductilité
La couleur
La masse volumique

La ductilité est l'aptitude à être étiré en fils sans casser.

Étape 3 : mesurer la masse volumique

La masse volumique \(\rho\) d'un corps est le quotient de sa masse \(m\) par son volume \(V\) :

\[ \rho = \frac{m}{V} \]

Unités courantes : \(\mathrm{g\cdot cm^{-3}}\) ou \(\mathrm{kg\cdot m^{-3}}\), avec \(1\ \mathrm{g\cdot cm^{-3}} = 1000\ \mathrm{kg\cdot m^{-3}}\). Rappel : \(1\ \mathrm{mL} = 1\ \mathrm{cm^3}\).

Matériau	\(\rho\) en \(\mathrm{g\cdot cm^{-3}}\) (valeurs usuelles)
Eau liquide	1,00
Aluminium	2,70
Fer	7,87
Cuivre	8,96

Protocole (objet de forme quelconque) :

On pèse l'objet sur une balance : m = 44,8 g.

On verse de l'eau dans une éprouvette graduée et on lit le volume : 50,0 mL.

On plonge l'objet : le niveau monte à 55,0 mL. Le volume de l'objet est la différence, 5,0 mL.

Exemple résolu 1 : ce bracelet est-il en cuivre ?

Aïcha achète un bracelet présenté comme « en cuivre ». Avec le protocole ci-dessus, elle trouve \(m = 44{,}8\ \mathrm{g}\) et un niveau d'eau qui passe de \(50{,}0\ \mathrm{mL}\) à \(55{,}0\ \mathrm{mL}\). Que conclure ?

Voir la solution

Volume : \(V = 55{,}0 - 50{,}0 = 5{,}0\ \mathrm{mL} = 5{,}0\ \mathrm{cm^3}\).

\(\rho = \dfrac{m}{V} = \dfrac{44{,}8}{5{,}0} \approx 8{,}96\ \mathrm{g\cdot cm^{-3}}\).

Cette valeur correspond à celle du cuivre dans le tableau, et pas à celles du fer ou de l'aluminium : le résultat est compatible avec un bracelet en cuivre.

Exemple résolu 2 : la masse d'une bobine de câble

Un électricien de Niamey achète \(100\ \mathrm{m}\) de fil de cuivre de section \(S = 2{,}5\ \mathrm{mm^2}\). Quelle est la masse de cuivre ?

Voir la solution

On convertit en centimètres : \(L = 100\ \mathrm{m} = 10\,000\ \mathrm{cm}\) et \(S = 2{,}5\ \mathrm{mm^2} = 0{,}025\ \mathrm{cm^2}\).

Volume du fil (un cylindre très long) : \(V = S \times L = 0{,}025 \times 10\,000 = 250\ \mathrm{cm^3}\).

\(m = \rho \times V = 8{,}96 \times 250 = 2240\ \mathrm{g} = 2{,}24\ \mathrm{kg}\).

Compare la masse \(m = \rho V\) d'un volume de cuivre (droite fixe) et d'un autre matériau dont tu règles la masse volumique r (en g/cm³, volume V en abscisse en cm³) :

Un cube de cuivre et un cube d'aluminium ont le même volume. Lequel est le plus lourd ?

L'aluminium
Ils ont la même masse
Le cuivre, environ 3,3 fois plus lourd

À volume égal, la masse est proportionnelle à la masse volumique : \(\dfrac{8{,}96}{2{,}70} \approx 3{,}3\).

Étape 4 : la conductivité électrique

Test : on réalise un circuit série avec une pile, une lampe et deux pinces. Entre les pinces, on place successivement un fil de cuivre, un morceau de bois, une règle en plastique, un clou en fer.

Avec le cuivre (et le fer), la lampe brille : ce sont des conducteurs électriques.
Avec le bois sec ou le plastique, la lampe reste éteinte : ce sont des isolants.

Des mesures plus précises montrent que le cuivre est l'un des meilleurs conducteurs électriques : parmi les métaux usuels, seul l'argent conduit mieux, mais il est beaucoup plus cher. Le cuivre conduit mieux que l'aluminium et nettement mieux que le fer.

Dans un câble électrique, quel est le rôle de la gaine en plastique ?

Conduire le courant
Isoler pour éviter les électrocutions et les courts-circuits
Augmenter la masse volumique

Le courant circule dans le cuivre conducteur ; le plastique, isolant, empêche le contact avec l'extérieur.

Étape 5 : la conductivité thermique

Test : on colle de petites billes de cire à intervalles réguliers sur une tige de cuivre, une tige de fer et une baguette de verre de même longueur. On chauffe une extrémité de chaque tige de la même façon. Les billes tombent d'abord le long de la tige de cuivre : la chaleur s'y propage le plus vite.

Le cuivre est un excellent conducteur thermique, bien meilleur que le fer, le verre ou le bois.

flowchart LR
A[Bon conducteur électrique et ductile] --> B[Câbles et bobinages]
C[Bon conducteur thermique] --> D[Échangeurs de climatiseurs et réfrigérateurs]
C --> E[Fonds de casseroles]
F[Malléable] --> G[Tôles et objets d'art]

Pourquoi utilise-t-on des tubes en cuivre dans les échangeurs des climatiseurs et des réfrigérateurs ?

Parce que le cuivre transmet très bien la chaleur
Parce que le cuivre est isolant thermique
Parce que le cuivre est le métal le plus léger

Un échangeur doit faire passer la chaleur le plus vite possible entre le fluide et l'air : il faut un très bon conducteur thermique comme le cuivre.

Erreurs fréquentes

Confondre masse et masse volumique : un gros objet en aluminium peut être plus lourd qu'un petit objet en cuivre, mais l'aluminium reste moins dense.
Oublier de soustraire le volume initial d'eau : le volume de l'objet est la différence des deux lectures.
Mélanger les unités : \(\mathrm{mm^2}\), \(\mathrm{cm^2}\) et \(\mathrm{m^2}\) ; \(1\ \mathrm{cm^2} = 100\ \mathrm{mm^2}\).
Croire que tous les métaux conduisent aussi bien : le cuivre conduit beaucoup mieux que le fer.
Penser que la patine verte signifie que l'objet n'est plus en cuivre : elle ne touche que la surface.

Récapitulatif

Aspect : métal rouge-orangé, brillant une fois poli, qui se ternit en surface.
Malléable et ductile : feuilles et fils fins.
Masse volumique : \(\rho = \dfrac{m}{V} \approx 8{,}96\ \mathrm{g\cdot cm^{-3}}\), mesurée par pesée et déplacement d'eau.
Très bon conducteur électrique (câblage) et thermique (échangeurs, casseroles).

Malléabilité

Aptitude à être martelé en feuilles sans se casser.

Ductilité

Aptitude à être étiré en fils fins.

Masse volumique du cuivre

Environ 8,96 g/cm³, soit 8 960 kg/m³.

Conducteur électrique

Matériau qui laisse passer le courant ; le cuivre est l'un des meilleurs.

Conducteur thermique

Matériau qui transmet bien la chaleur ; le cuivre sert dans les échangeurs.