Cuivre : Propriétés et applications

Le mot cuivre vient du mot latin « cuprum », qui signifie « minerai de Chypre ». C’est pourquoi le symbole chimique du cuivre est Cu. Le cuivre possède de nombreuses propriétés extrêmement utiles, notamment :

  • une bonne conductivité électrique
  • une bonne conductivité thermique
  • une résistance à la corrosion

Il est également :

  • facile à allier
  • hygiénique
  • facile à assembler
  • ductile
  • résistant
  • non-…magnétique
  • attrayant
  • recyclable
  • catalytique

Voir ci-dessous pour plus d’informations sur chacune de ces propriétés, et comment elles nous profitent dans notre vie quotidienne.

Bonne conductivité électrique

Le cuivre possède la meilleure conductivité électrique de tous les métaux, à l’exception de l’argent.

Une bonne conductivité électrique équivaut à une faible résistance électrique. Un courant électrique circule à travers tous les métaux, cependant ils présentent toujours une certaine résistance, ce qui signifie que le courant doit être poussé (par une batterie) pour continuer à circuler. Plus la résistance est grande, plus il faut pousser (et plus le courant est faible). Le courant circule facilement dans le cuivre grâce à sa faible résistance électrique, sans grande perte d’énergie. C’est la raison pour laquelle les fils de cuivre sont utilisés dans les câbles électriques des maisons et les câbles souterrains (bien que les câbles aériens soient généralement en aluminium car il est moins dense). Cependant, lorsque la taille plutôt que le poids est importante, le cuivre est le meilleur choix. Les bandes de cuivre épaisses sont utilisées pour les paratonnerres sur les grands bâtiments comme les clochers d’église. La bande de cuivre doit être épaisse pour pouvoir transporter un courant important sans fondre.

Le fil de cuivre peut être enroulé en bobine. La bobine produira un champ magnétique et, étant faite de cuivre, ne gaspillera pas beaucoup d’énergie électrique. On peut trouver des bobines de cuivre dans :

.

Device Utilisation
Electro-aimants Verrous, grues de chantier, cloches électriques. (Voir Électro-aimants.)
Moteurs Pompes, appareils ménagers (lave-linge, lave-vaisselle, réfrigérateurs, aspirateurs), voitures (démarreurs, essuie-glaces, vitres électriques), ordinateurs (lecteurs de disques, ventilateurs), systèmes de divertissement (lecteurs DVD). (Voir Moteurs électriques.)
Dynamos Bicyclettes, centrales électriques
Transformateurs Adaptateurs de courant, sous-stations électriques, centrales électriques. (Voir Cuivre et électricité : les transformateurs et le réseau électrique.)

Comment le cuivre conduit
Le cuivre est un métal composé d’atomes de cuivre étroitement regroupés.

Si nous pouvions regarder d’assez près, nous verrions que des électrons se déplacent entre les atomes de cuivre.

Chaque atome de cuivre a perdu un électron et est devenu un ion positif. Le cuivre est donc un réseau d’ions positifs de cuivre avec des électrons libres se déplaçant entre eux. (Les électrons sont un peu comme les particules d’un gaz qui est libre de se déplacer à l’intérieur des surfaces du fil).

Les électrons peuvent se déplacer librement à travers le métal. Pour cette raison, ils sont connus sous le nom d’électrons libres. On les appelle aussi électrons de conduction, car ils aident le cuivre à être un bon conducteur de chaleur et d’électricité.

Les ions de cuivre vibrent (voir figure 1). Remarquez qu’ils vibrent autour du même endroit alors que les électrons peuvent se déplacer à travers le réseau. Ceci est très important lorsque nous connectons le fil à une batterie.

Électrons se déplaçant à travers le cuivre

Figure 1 – Un fil de cuivre est constitué d’un réseau d’ions de cuivre. Il y a des électrons libres qui se déplacent dans ce treillis comme un gaz.

Conduire l’électricité

On peut connecter un fil de cuivre à une batterie et à un interrupteur. Normalement, les électrons libres se déplacent au hasard dans le métal. Lorsque nous fermons l’interrupteur, un courant électrique circule. Maintenant, les électrons libres circulent dans le fil (figure 2) ils se déplacent de gauche à droite (et se déplacent toujours aussi aléatoirement).

Courant à travers le cuivre

Courant à travers le cuivre

Figure 2 – L’actionnement de l’interrupteur dans le circuit ci-dessus fait circuler les électrons de gauche à droite, dans le sens inverse du courant.

Les électrons ont une charge négative. Ils sont attirés par l’extrémité positive de la pile. Les électrons libres se déplacent dans le cuivre, circulant de la borne négative à la borne positive de la pile (notez qu’ils circulent dans la direction opposée au courant conventionnel ; c’est parce qu’ils ont une charge négative).

Les ions de cuivre dans le fil vibrent. Parfois, un ion bloque la trajectoire d’un électron en mouvement. L’électron entre en collision avec l’ion et rebondit sur lui. Cela ralentit l’électron. Une partie de son énergie a été transférée à l’ion, qui vibre plus vite.

De cette façon, l’énergie est transférée des électrons en mouvement aux ions de cuivre. Le cuivre devient plus chaud. Cela explique pourquoi :

  • les métaux ont une résistance électrique.
  • Les métaux deviennent chauds quand un courant les traverse.

Bonne conductivité thermique

Le cuivre est un bon conducteur de chaleur. Cela signifie que si vous chauffez une extrémité d’un morceau de cuivre, l’autre extrémité atteindra rapidement la même température. La plupart des métaux sont d’assez bons conducteurs ; cependant, à part l’argent, le cuivre est le meilleur.

.

.

Métal Relatif. Conductivité
Cuivre 394
Argent 418
Aluminium 238
Acier inoxydable 13

Conductivité thermique des métaux courants. Lorsque vous chauffez un côté d’un matériau, l’autre côté se réchauffe. Les valeurs ci-dessus sont une mesure de la rapidité avec laquelle l’autre côté devient aussi chaud que le côté chauffé.

Il est utilisé dans de nombreuses applications de chauffage car il ne se corrode pas et a un point de fusion élevé. Le seul autre matériau qui présente une résistance similaire à la corrosion est l’acier inoxydable. Cependant, sa conductivité thermique est 30 fois pire que celle du cuivre.

Applications
Le cuivre permet à la chaleur de le traverser rapidement. Il est donc utilisé dans de nombreuses applications où un transfert de chaleur rapide est important. Il s’agit notamment de :

.

Device Utilisation
Plaque de cuivre Fonds de casseroles.
Tuyaux en cuivre Échangeurs de chaleur dans les réservoirs d’eau chaude, les systèmes de chauffage par le sol, les terrains de football tous temps et les radiateurs de voiture.
Des puits de chaleur Ordinateurs, lecteurs de disques, téléviseurs.

Conduire la chaleur
Le cuivre est constitué d’un réseau d’ions à électron libre (voir figure 1). Les ions vibrent et les électrons peuvent se déplacer à travers le cuivre (un peu comme un gaz).

La figure 3 montre ce qui se passe lorsqu’une extrémité du morceau de cuivre devient plus chaude. Les ions de cuivre à l’extrémité chaude vibrent davantage. Remarque : les électrons ont été laissés de côté pour rester clairs.

Figure 3 conductivité thermique

Figure 3 – L’extrémité gauche du morceau de cuivre est plus chaude. Les ions de cuivre à l’extrémité chaude vibrent davantage. (Remarque : les électrons ont été laissés hors de l’image pour qu’elle reste claire.)

La figure 4 se concentre sur quelques électrons seulement pour voir comment ils conduisent la chaleur de la gauche vers la droite.

  1. Un électron libre entre en collision avec un ion à l’extrémité chaude, et gagne de l’énergie cinétique (il accélère).
  2. Il se déplace vers l’extrémité froide.
  3. Il entre en collision avec un  » ion froid « , faisant vibrer davantage l’ion précédemment froid. Cela réchauffe l’extrémité froide.
  4. De cette façon, l’énergie est transférée à travers le cuivre, du chaud au froid.

Comment les électrons conduisent la chaleur

Figure 4 – Comment les électrons conduisent la chaleur de gauche à droite (seuls quelques-uns sont représentés pour faciliter la visualisation).

Non-métaux conduisant la chaleur
Considérez comment la chaleur est conduite dans un non-métal. Les particules qui vibrent transmettent les vibrations à leurs voisins les plus proches. Ce processus est beaucoup plus lent. C’est pourquoi les métaux sont les meilleurs conducteurs – leurs électrons libres peuvent transporter l’énergie sur toute leur longueur.

Résistance à la corrosion

Le cuivre est bas dans la série de réactivité. Cela signifie qu’il n’a pas tendance à se corroder. C’est important pour son utilisation pour les tuyaux, les câbles électriques, les casseroles et les radiateurs.

Cela signifie également qu’il est bien adapté à un usage décoratif. Les bijoux, les statues et les parties de bâtiments peuvent être fabriqués en cuivre, en laiton ou en bronze et rester attrayants pendant des milliers d’années.

Pour plus d’informations sur les avantages de la résistance à la corrosion du cuivre pour les applications marines, consultez la ressource Les alliages de cuivre dans l’aquaculture.

Facilement alliables

Le cuivre peut être combiné facilement avec d’autres métaux pour fabriquer des alliages. Le premier alliage produit était du cuivre fondu avec de l’étain pour former du bronze – une découverte si importante que des périodes de l’histoire sont appelées l’âge du bronze.

Beaucoup plus tard est venu le laiton (cuivre et zinc), et – à l’époque moderne – le cupronickel (cuivre et nickel). Ces alliages sont plus durs, plus solides et plus résistants que le cuivre pur. On peut les rendre encore plus durs en les martelant – un processus appelé  » écrouissage « .

L’arbre des alliages de cuivre montre les possibilités d’ajouter d’autres métaux pour obtenir différents alliages. Vous trouverez ci-dessous quelques exemples. Cliquez sur le schéma ci-dessus pour voir une version plus grande.

Cuivre + étain = bronze d’étain
Cuivre + étain + phosphore = bronze de phosphore
Cuivre + aluminium = bronze d’aluminium
Cuivre + zinc = laiton
Cuivre + étain + zinc = bronze à canon
Cuivre + nickel = cuivre-nickel
Cuivre + nickel + zinc = maillechort.

Pour plus d’informations, consultez la ressource Le cuivre dans le monnayage. Vous pouvez également consulter les pages de la Copper Development Association sur le cuivre et ses alliages.

Hygiénique

Le cuivre est intrinsèquement hygiénique, c’est-à-dire qu’il est hostile aux bactéries, virus et champignons qui s’installent à sa surface. Cette propriété voit l’installation de surfaces en cuivre et alliages de cuivre dans les hôpitaux et autres lieux où l’hygiène est une préoccupation majeure.

Facilement assemblable

Le cuivre peut être assemblé facilement par soudure ou brasage. Cela est utile pour la tuyauterie et pour la fabrication de récipients en cuivre scellés.

Ductile

Le cuivre est un métal ductile. Cela signifie qu’il peut facilement être façonné en tuyaux et étiré en fils. Les tuyaux en cuivre sont légers car ils peuvent avoir des parois fines. Ils ne se corrodent pas et peuvent être pliés pour s’adapter aux coins. Les tuyaux peuvent être joints par soudure et ils sont sûrs dans les incendies car ils ne brûlent pas et ne favorisent pas la combustion.

Résistant

Le cuivre et les alliages de cuivre sont résistants. Cela signifie qu’ils étaient bien adaptés pour être utilisés comme outils et armes. Imaginez la joie de l’homme antique lorsqu’il a découvert que ses pointes de flèches soigneusement formées ne se brisaient plus à l’impact.

La propriété de ténacité est vitale pour le cuivre et les alliages de cuivre dans le monde moderne. Ils ne se brisent pas lorsqu’on les laisse tomber ou ne deviennent pas cassants lorsqu’ils sont refroidis en dessous de 0°C.

Non-magnétique

Le cuivre est non magnétique et ne produit pas d’étincelles. Pour cette raison, il est utilisé dans les outils spéciaux et les applications militaires.

Couleur attrayante

Le cuivre et ses alliages, comme le laiton, sont utilisés pour les bijoux et les ornements. Ils ont une couleur dorée attrayante qui varie en fonction de la teneur en cuivre. Ils ont une bonne résistance au ternissement ce qui les fait durer longtemps.

Recyclable

Le cuivre peut être recyclé sans perte de qualité. Environ 40 % de la demande européenne est satisfaite par du cuivre recyclé.

Pour plus d’informations, consultez la ressource Recyclage et durabilité du cuivre.

Catalytique

Le cuivre peut agir comme un catalyseur – c’est-à-dire une substance capable d’accélérer une réaction chimique et d’améliorer son efficacité. Il le fait en réduisant l’énergie d’activation. Les catalyseurs des réactions biologiques sont appelés enzymes.

Le cuivre accélère la réaction entre le zinc et l’acide sulfurique dilué. On le trouve dans certaines enzymes, dont l’une intervient dans la respiration. Il s’agit vraiment d’un élément vital !