Les électrons circulent-ils réellement lorsqu'une tension est appliquée?

On dit dans les livres qu'un circuit est un chemin fermé et donc que les électrons reviennent à la source. Si tel est le cas, que se passerait-il en cas de défaut à la terre dans un circuit? Comment les électrons retourneraient-ils à leur source?

Les électrons sortent-ils réellement de leurs atomes ou vibrent-ils simplement et transfèrent-ils l'énergie de cette façon lorsque nous appliquons une tension?

Penser au courant en termes d'électrons se déplaçant est le début d'un chemin vers un mauvais modèle mental du fonctionnement de l'électricité. Voici quelques erreurs:

• Les électrons ne sont que l'un des nombreux porteurs de charge. Tout ion est également porteur de charge.

• Les protons qui équilibrent les électrons sont tout aussi importants. Si vous n'aviez que des électrons, alors tous les électrons de l'univers seraient repoussés les uns des autres et jailliraient dans l'univers.

• Les électrons ont une charge négative, et vous vous confondrez sans aucune bonne raison en pensant à la façon dont ils passent du négatif au positif. Cela n'a pas vraiment d'importance du tout.

• Les électrons grouillent en permanence dans toutes les directions aléatoires tout le temps, et leur mouvement dû au courant est minuscule, en comparaison.

L'important est le suivant: les porteurs de charge (les électrons en sont un) peuvent être utilisés pour transmettre une force électromotrice (généralement appelée juste tension). C'est vraiment un concept assez ordinaire. Vous pouvez pousser une extrémité d'une tige et transmettre une force mécanique à l'autre extrémité de la tige. La tige bouge-t-elle, quand faites-vous cela? Eh bien, peut-être, mais il se passe deux choses ici:

1. la force est transmise à travers la tige, sous forme d'ondes se propageant à la vitesse du son dans ce matériau
2. si et seulement si nous transmettons également de la puissance, la tige se déplace, dans la plupart des cas à une vitesse beaucoup plus lente

La différence est évidente pour une tige, mais comme nous ne pouvons pas voir la charge électrique, la différence n'est pas évidente.

Donc, votre question était: les électrons circulent-ils réellement lorsqu'une tension est appliquée? À strictement parler, la réponse est peut - être , et cela dépend de ce que vous entendez par flux . C'est similaire à la question: une corde bouge-t-elle lorsque vous la tirez? Eh bien, s'il est attaché à un ballon, il pourrait bouger beaucoup. S'il est attaché à un mur de briques, il pourrait ne pas bouger du tout.

Le mouvement des porteurs de charge (comme les électrons) est courant . Si nous avons un courant, alors il y a un mouvement net des porteurs de charge. Vraiment, ils grouillent partout, tout comme les molécules d'eau individuelles grouillent dans un tuyau, même s'il n'y a pas de débit net. Le courant décrit le mouvement moyen. Dans le cas du courant continu, le mouvement moyen est dans un cercle.

La façon dont les différents porteurs de charge interagissent pour accomplir cela est compliquée, et c'est vraiment une question de physique, pas une question d'électronique. Cependant, je vous suggère de consulter ce tutoriel MIT sur les champs .

Électrons ne se déplacent physiquement lorsqu'une tension est appliquée - très lentement .

Un circuit alimenté à 100 V CC, alimentant une charge de 1 A (comme une ampoule) à travers un fil de cuivre de 2 mm de diamètre verra les électrons se déplacer à la vitesse de:

$\dfrac{I}{Q \cdot e \cdot R^2 \cdot \pi}$

où

• $8.5 \times 10^{22}$
• R est le rayon du fil
• $1.6 \times 10^{-19}$

Cela correspond à 8,4 cm / heure . Pas vraiment rapide.

Ce qui est essentiel, c'est le fait que c'est l' énergie qui traverse le circuit presque instantanément - pas les électrons eux-mêmes. (Les électrons forment une «autoroute» pratique pour permettre à l'énergie de circuler rapidement.)

Il est regrettable que la lente dérive des électrons sous une tension se soit retrouvée avec le même nom que le flux d'énergie qui fonctionne réellement dans un circuit.

Ne confondez pas l'abstraction commode avec la réalité physique

• Les «circuits» sont un concept abstrait conçu pour nous aider à mieux comprendre le monde.
• les électrons sont une entité physique.

Une note sur les chemins "fermés"

Les circuits fermés n'impliquent pas le retour des électrons à la source. De plus, les électrons qui quittent la source sont extrêmement rarement les mêmes électrons qui retournent à l'autre pôle de la source (voir la réponse de @ madmanguruman pour l'explication de la vitesse).

Analogies mécaniques

C'est comme des dominos qui tombent. L'onde d'énergie se propage à travers les dominos qui tombent, mais les dominos ne se traduisent pas beaucoup.

N'oubliez pas que l'énergie est la charge de l'électron multipliée par la force qui lui est appliquée (tension). Ce sont (massivement) les forces qui se déplacent à travers le réseau métallique, pas les charges (électrons).

Tout comme sur cette photo:

Les forces se transfèrent à travers les balles, mais les balles restent largement en place. Contrairement aux billes mécaniques, qui sont équilibrées par la gravité, avec des électrons dans les fils métalliques des cellules galvaniques (batteries), il y a une dérive globale lente des électrons (comme les voitures coincées dans la circulation) à l'autre extrémité.

Lectures complémentaires

Vous pourriez considérer cette réponse que j'ai donnée à une question de physique similaire.

Nous parlons ici de métaux. En règle générale, un objet métallique n'est pas constitué de molécules. Il se compose d'atomes métalliques, tous regroupés. Ceci est illustré dans l'image ci-dessous:

Les cercles rouges sont des électrons. Comme vous pouvez le voir, vous ne pouvez pas vraiment dire à quel atome un électron appartient. Ces électrons forment les connexions entre les atomes - ils appartiennent donc à deux atomes.

Or, lorsqu'un courant commence à circuler, ces électrons se déplacent effectivement. Lorsqu'un courant circule, l'énergie est transférée. Comme les atomes ne peuvent pas se déplacer facilement, les électrons doivent se déplacer.

Vous pouvez également le voir dans l'unité Ampère de courant: 1 ampère équivaut à 1 Coulomb par seconde. Le Coulomb (C) est l'unité de charge (Q). 1 Ampère signifie 1 Coulomb de charge passe un certain point en 1 seconde. Cette charge est produite par les électrons qui circulent réellement de l'objet un à l'objet deux.

Lorsque nous parlons de courant continu (application normale alimentée par batterie, par exemple), ces électrons ne retourneront pas à leur source. Considérez ce circuit:

Au début, il y a une différence de charge entre le pôle négatif et le pôle positif: le pôle négatif a un surplus d'électrons. Cela crée une force (tension), et puisqu'il y a un lien entre les deux pôles (le fil et l'ampoule), les électrons commencent à couler. Les électrons se déplacent du pôle négatif à travers l'ampoule vers le pôle positif, jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de différence de charge (ou c'est si peu que cela ne fera pas circuler un courant).

Vous pouvez maintenant voir que ces électrons ne sont pas revenus à leur source: ils ont commencé au pôle négatif et se sont terminés au pôle positif.

Nous appelons cela un chemin fermé car il y a un cercle: le courant commence à la batterie et se termine à la batterie. Il y a confusion parce que la batterie existe en fait de deux objets: le pôle positif et le pôle négatif.

Regardez ce circuit (qui est fondamentalement le même, mais avec un condensateur au lieu d'une batterie et une résistance au lieu d'une ampoule):

Le courant circule du côté droit du condensateur (chargé négativement, surplus d'électrons) à travers la résistance vers le côté gauche du condensateur (chargé positivement, manque d'électrons). Ici, les plaques de condensateur sont séparées, vous pouvez donc facilement voir qu'il ne s'agit pas d'un chemin fermé.

Nous l'appelons simplement un chemin fermé, car le courant commence et se termine au condensateur.

Comme les électrons n'ont pas vraiment besoin de retourner à leur base, vous pouvez maintenant comprendre que les électrons peuvent également se déverser dans la terre. C'est aussi ce qui se passe avec la foudre. Les électrons coulent des nuages ​​vers la terre (ou l'inverse, je ne sais pas), juste pour neutraliser la différence de charge.