Pourquoi n'y a-t-il pas de courant net dans un fil sans tension appliquée?

Les atomes de matériaux avec des électrons externes liés de façon lâche échangent constamment des charges entre eux au fil du temps, et ces matériaux sont appelés conducteurs. Maintenant, le processus conducteur est différent de celui souvent décrit dans les manuels de génie électrique.

Cela implique que pour que le courant circule dans le circuit, un électron doit se déplacer d'un fil à l'autre, ce qui n'est tout simplement pas vrai. La réalité est quelque chose comme ça:

L'électron à l'extrême gauche provenant du plomb négatif d'une batterie, par exemple, entre alors en collision avec l'atome le plus proche et, en raison de son accélération, il élimine l'électron qui tourne à ce niveau de la coquille. L'électron frappé se dirige vers son atome le plus proche et à son tour, il fait de même, éliminant un électron qui crée une réaction en chaîne. Donc, fondamentalement, les électrons se déplacent un peu, mais le résultat global est pratiquement instantané.

Ce que je ne comprends pas, c'est que si nous prenons un fil conducteur régulier SANS tension appliquée, les électrons rebondissent toujours constamment d'atome en atome, ce qui signifie qu'il y a littéralement "un flux d'électrons" dans le fil, mais si nous connectons le fil à une diode LED rien ne se passerait. Donc, ce que je demande vraiment, c'est en quoi diffère "un flux d'électrons AVEC une tension appliquée" d'un "flux d'électrons SANS tension appliquée" dans un fil.

Statistiquement, il y a autant d'électrons se déplaçant dans une direction que dans le 180º opposé, donc il n'y a effectivement pas de courant net. Ce que nous connaissons comme «courant» est le mouvement de plus d'électrons dans une direction que toutes les autres (1D, 2D ou 3D à travers un morceau de métal). C'est ainsi que vous pouvez avoir des "tonnes d'électrons libres" mais pas de courants nets circulant ou mesurables.

L'agitation aléatoire de ces électrons a un nom: le bruit thermique. Cette agitation est proportionnelle à la température, donc vous en obtenez plus en chauffant. Cependant, le mouvement moyen est toujours nul, vous ne pouvez donc jamais faire de "travail" utile ou extraire de manière équivalente l'énergie utilisable du processus.

Ceci est en accord avec les lois de la thermodynamique.

Réponse courte: certains manuels sont infectés par une idée fausse, l'idée que les électrons sont toujours en orbite autour des atomes métalliques individuels. Nan. Ils vous diront également que les électrons ne sautent entre les atomes que lorsqu'une tension est appliquée le long des fils. Faux.

Dans les métaux, les électrons externes de chaque atome de métal ont quitté leur atome d'origine. Cela se produit lorsque le métal est formé pour la première fois. Si les électrons continuaient de coller à chaque atome, alors le métal serait un isolant, et à de faibles valeurs de courant, les ohms ne seraient pas constants. En réalité, les électrons externes ou "bande de conduction" sont en orbite entre tous les atomes métalliques, tout le temps. Un fil métallique ressemble à une sorte de "plasma solidifié". Les métaux sont bizarres.

Les physiciens appellent la population d'électrons mobiles du métal par le nom de «mer d'électrons» ou «océan de charge». En chimie, cela s'appelle la «liaison métallique».

D'un point de vue non quantique, nous pouvons voir les objets métalliques comme des conteneurs remplis d'un "fluide électrique", à la manière de Ben Franklin! Les électrons du métal tremblent à grande vitesse, errant tout autour, un peu comme les molécules de gaz à l'intérieur d'un tuyau. Mais ce mouvement électronique est dans des directions aléatoires. C'est un entrepôt d'énergie thermique, mais il n'a pas de direction unique, donc ce n'est pas du «vent»; pas de courant électrique. Pour chaque électron allant dans un sens, il y en a un autre qui recule.

Par conséquent, un courant électrique continu réel dans un métal est une dérive moyenne lente de ce nuage d'électrons. Les électrons individuels ne se déplacent pas lentement bien sûr. Au lieu de cela, ils errent à presque la vitesse de la lumière tout le temps. Mais lors d'un courant continu, leur chemin d'errance moyen a une minuscule dérive DC superposée. L'atmosphère terrestre fait de même: chaque molécule se déplace à presque la vitesse du son, même dans des conditions mortes et immobiles; Pas de vent. Nous considérons l'errance comme «thermique», comme le mouvement brownien. Idem avec les électrons individuels dans un métal.

Une animation correcte des atomes / électrons des métaux représenterait les électrons sautant dans les deux directions pour un courant nul. Ou, montrez-les se tortillant d'avant en arrière sur plusieurs atomes, avec un mouvement aléatoire pendant zéro ampère. (Ou, montrez l'intérieur du fil qui ressemble à de la «neige de télévision», comme un bruit blanc vacillant.) Ensuite, pendant un courant continu, le motif entier des électrons glissera lentement comme une unité. Plus les ampères sont élevés, plus le débit est rapide. Le «bruit blanc liquide» se déplace lentement, comme de l'eau dans un tuyau, mais les particules individuelles ne restent jamais immobiles.

Notez que cette image NE S'APPLIQUE PAS À TOUS LES CONDUCTEURS . Elle ne s'applique qu'aux métaux solides (la forme de conducteur la plus courante utilisée en génie électrique), mais pas à l'eau salée, aux acides, aux courants de terre, aux tissus / nerfs humains, aux métaux liquides, aux métaux en mouvement, au plasma, aux étincelles, etc. L'électricité n'est pas '' t électrons, c'est pourquoi les ingénieurs et les scientifiques utilisent le "courant conventionnel" qui s'applique à tous les types de conducteurs. Le flux d'électrons dans les métaux est un cas particulier des courants électriques en général.

PS
Notez que les électrons ne sont pas invisibles! (En fait, les électrons sont à peu près les seules choses qui sont visibles.) Donc, chaque fois que nous regardons un fil nu, nous voyons son électron-mer. Les électrons mobiles sont des réflecteurs extrêmes des ondes EM. L'aspect "métallique" d'une surface métallique est notre vision des électrons libres. Ainsi, les électrons sont comme un fluide argenté. Lors des courants électriques dans un métal, c'est l'étoffe argentée qui coule. Mais il n'y a pas de saleté ou de bulles dans ce flux, donc bien que nous puissions voir le «fluide», nous ne pouvons pas voir son mouvement. (Hé, même si nous pouvions voir quelque chose bouger, la dérive de charge serait trop lente à remarquer; comme l'aiguille des minutes sur une horloge!)

Si le fil est un supraconducteur, le courant peut en effet circuler sans tension.

Il y avait cet exemple que l'un de mes professeurs m'a donné.

Les électrons sans tension sont simplement comme des personnes indépendantes aimant une ville aléatoire. Ils se déplacent joyeusement librement mais ils ne font partie d'aucun mouvement. Ce sont des individus qui n'ont pas d'importance.

Maintenant, tout d'un coup, une partie étrangère établit la règle. Cela fait que les électrons marchent vers l'établissement du parti étranger (pas le courant conventionnel) en révolte, rebelle, etc. Ils font partie du mouvement et c'est ce qu'on appelle le courant.

Le courant nécessite que les électrons dans la bande de conduction s'écoulent, et sans tension (ou pression comme analogie d'écoulement), il n'y a pas d'énergie pour exciter les électrons dans la bande de conduction. La résistance est toujours présente en raison des propriétés atomiques, et la chute de tension doit être la tension totale car la résistance devient essentiellement infinie car les coques de valence dans les métaux sont très différentes des bandes de conduction en ce sens qu'elles sont liées à la structure du réseau du métal. Ils ont besoin d'excitation et d'un gradient pour rompre leur lien avec la valence qu'elle va. Les électrons de Valence peuvent interagir mais ils ne sont pas uniformément directionnels et ne coulent pas librement comme ils le seraient s'ils étaient excités dans la bande de conduction. C'est bien sûr pour les métaux conducteurs simples.

D'après votre question, il est clair que vous ne connaissez pas la distinction entre le mouvement aléatoire des électrons et le mouvement directionnel des électrons. Le mouvement aléatoire des électrons n'est pas courant. Le mouvement électronique directionnel est .
C'est la tension qui donne la direction aux électrons, provoquant ainsi un flux d'électrons directionnel - le «courant d'électrons».

Votre affirmation selon laquelle "un électron doit passer d'un fil ... à l'autre, n'est tout simplement pas vrai" est fausse . Le fait est que pour chaque électron qui "entre" dans le fil, un autre électron doit "sortir" de l'autre extrémité. Si cela ne se produit pas, vous n'avez pas de flux de courant! C'est exactement pourquoi "rien ne se produit lorsque vous connectez la LED au fil" sans tension appliquée.

On nous dit de ne pas déranger car il y a plus de physique et moins d'importance pratique.

En physique, le fil n'est pas un court-circuit mais a une résistance, une capacité et une inductance.Lorsque vous appliquez une tension dans un fil, beaucoup pensent que cela se produit.

Lorsqu'il n'y a pas de tension appliquée, il n'y a pas assez d'électrons qui sautent d'atome en atome pour rendre la lumière LED.

Un physicien pourrait mieux répondre à cette question qu'un EE. Il y a une section physique dans l'échange de pile.