Vitesse du courant électrique

Faisons cette expérience de pensée. Imaginez qu'il y a un village à une distance de 100 kilomètres de la ville et qu'une ligne de signal filaire d'environ 100 kilomètres de long avec une ampoule à l'extrémité est posée de la ville à ce village. Ligne bifilaire blindée, elle est posée sur des supports le long de la route. Et si nous envoyons maintenant un signal sur cette ligne de ville en village, combien de temps faudra-t-il pour qu'il soit reçu là-bas ?

Les calculs et l'expérience nous apprennent qu'un signal sous la forme d'une ampoule apparaîtra à l'autre extrémité en au moins 100/300000 secondes, c'est-à-dire en au moins 333,3 μs (sans tenir compte de l'inductance du fil) dans le village, une lumière s'allumera, ce qui signifie qu'un courant s'établira dans le fil (par exemple, on utilise un courant continu de condensateur chargé). 

100 est la longueur de chaque veine de notre fil en kilomètres, et 300 000 kilomètres par seconde est la vitesse de la lumière, la vitesse de propagation onde électromagnétique dans le vide. Oui, le "mouvement des électrons" se propagera le long du fil à la vitesse de la lumière.

Mais le fait que les électrons commencent à se déplacer les uns après les autres à la vitesse de la lumière ne signifie pas du tout que les électrons eux-mêmes se déplacent dans le fil à une vitesse aussi énorme. Les électrons ou les ions dans un conducteur métallique, dans un électrolyte ou dans un autre milieu conducteur ne peuvent pas se déplacer aussi rapidement, c'est-à-dire que les porteurs de charge ne se déplacent pas les uns par rapport aux autres à la vitesse de la lumière.

La vitesse de la lumière dans ce cas est la vitesse à laquelle les porteurs de charge dans le fil commencent à se déplacer les uns après les autres, c'est-à-dire la vitesse de propagation du mouvement de translation des porteurs de charge. Les porteurs de charge eux-mêmes ont une "vitesse de dérive" en courant continu, disons dans un fil de cuivre, de seulement quelques millimètres par seconde !

Précisons ce point. Disons que nous avons un condensateur chargé et que nous y attachons de longs fils de notre ampoule installée dans un village à une distance de 100 kilomètres du condensateur. La connexion des fils, c'est-à-dire la fermeture du circuit, se fait manuellement avec un interrupteur.

Que va-t-il se passer ? Lorsque l'interrupteur est fermé, les particules chargées commencent à se déplacer dans les parties des fils qui sont connectées au condensateur. Les électrons quittent la plaque négative du condensateur, le champ électrique dans le diélectrique du condensateur diminue, la charge positive de la plaque opposée (positive) diminue - les électrons y pénètrent à partir du fil connecté.

Ainsi, la différence de potentiel entre les plaques diminue.Et puisque les électrons dans les fils adjacents au condensateur ont commencé à se déplacer, d'autres électrons d'endroits éloignés sur le fil viennent à leur place, en d'autres termes, le processus de redistribution des électrons dans le fil commence en raison de l'action d'un champ électrique en circuit fermé. Ce processus se propage plus loin le long du fil et atteint finalement le filament de la lampe de signalisation.

Ainsi, le changement de champ électrique se propage le long du fil à la vitesse de la lumière, activant les électrons dans le circuit. Mais les électrons eux-mêmes se déplacent beaucoup plus lentement.

Avant d'aller plus loin, considérons une analogie hydraulique. Laissez l'eau minérale s'écouler du village à la ville par un tuyau. Dans la matinée, une pompe a été mise en marche dans le village et elle a commencé à augmenter la pression de l'eau dans la conduite pour forcer l'eau de la source du village à se déplacer vers la ville. Le changement de pression se propage très rapidement le long de la conduite, à une vitesse d'environ 1400 km/s (elle dépend de la densité de l'eau, de sa température, de l'amplitude de la pression).

Une fraction de seconde après la mise en marche de la pompe dans le village, l'eau a commencé à pénétrer dans la ville. Mais est-ce la même eau qui coule actuellement dans le village ? Non! Les molécules d'eau de notre exemple se poussent les unes les autres et elles-mêmes se déplacent beaucoup plus lentement, car la vitesse de leur déviation dépend de l'amplitude de la pression. L'écrasement des molécules les unes contre les autres se propage de plusieurs ordres de grandeur plus rapidement que le mouvement des molécules le long du tube.

Il en va de même avec un courant électrique : la vitesse de propagation d'un champ électrique est similaire à la propagation de la pression, et la vitesse de déplacement des électrons qui forment un courant est similaire au mouvement des molécules d'eau directement.

Revenons maintenant directement aux électrons. Le taux de mouvement ordonné des électrons (ou d'autres porteurs de charge) est appelé le taux de dérive. Ses électrons gagnent par l'action champ électrique externe. 

S'il n'y a pas de champ électrique externe, les électrons se déplacent de manière chaotique à l'intérieur du conducteur uniquement par mouvement thermique, mais il n'y a pas de courant dirigé, et donc la vitesse de dérive s'avère en moyenne nulle.

Si un champ électrique externe est appliqué à un conducteur, alors en fonction du matériau du conducteur, de la masse et de la charge des porteurs de charge, de la température, de la différence de potentiel, les porteurs de charge commenceront à se déplacer, mais la vitesse de ce mouvement sera nettement inférieure à la vitesse de la lumière, environ 0,5 mm par seconde (pour un fil de cuivre d'une section de 1 mm2, parcouru par un courant de 10 A, la vitesse moyenne de dérive des électrons sera de 0,6– 6mm/s).

Cette vitesse dépend de la concentration de porteurs de charge libres dans le conducteur n, de la section transversale du conducteur S, de la charge de la particule e, de l'amplitude du courant I. Comme vous pouvez le voir, malgré du fait que le courant électrique (le front de l'onde électromagnétique) se propage le long du fil à la vitesse de la lumière, les électrons eux-mêmes se déplacent beaucoup plus lentement. Il s'avère que la vitesse du courant est une vitesse très faible.