À quelle vitesse l'électricité circule-t-elle?

Je m'embrouille de temps en temps en physique de bas niveau de l'électricité. Cela est apparu dans "De quelle manière l'électricité alimente-t-elle un circuit " et je ne comprends pas tout à fait.

À quelle vitesse l'électricité circule-t-elle? La vitesse d'un électron est-elle différente, par exemple, d'une résistance par rapport à un fil? Est-ce que ça importe? Ou bien les effets de l'électron sont-ils la seule chose importante, les niveaux d'abstraction inférieurs ne sont-ils pas utiles dans la pratique?

Je sais qu'il existe déjà des documents sur ce sujet et j'en ai lu certains. Je pense qu'avoir la question sur ce site pourrait inspirer des réponses intéressantes à la question séculaire.

Points bonus pour:

• Identifier et dissiper les idées fausses courantes
• Expliquer de manière compréhensible pour un diplômé du secondaire, sans trop le simplifier à un point tel que c'est incorrect

À quelle vitesse l'électricité circule-t-elle? C'est une bonne question, car elle semble être une question assez simple, mais elle indique généralement des idées fausses sous-jacentes. La première difficulté à répondre à la question est de savoir, qu'est-ce que l'électricité? Tu veux dire:

1. À quelle vitesse les changements de champs électriques se propagent-ils? ou...
2. À quelle vitesse les porteurs de charge électrique se déplacent-ils?

Habituellement, les personnes qui se posent cette question se préoccupent du premier, mais pensent au second. Cependant, ne comprenant pas clairement la différence, il est impossible de répondre à leur préoccupation sous-jacente sans prendre du recul et remédier aux idées fausses sous-jacentes qui ont conduit à la question.

Comprendre est la suivante: il y a des forces, et il y a des choses qui transmettent des forces, et ce ne sont pas la même chose. Voici un exemple: je tiens un bout de corde et vous tenez l'autre. Quand je veux attirer votre attention, je tire la corde. Il y a la corde et le remorqueur. Le remorqueur voyage sous forme de vague de force sur la corde à la vitesse du son dans la corde. La corde elle-même se déplacera à une autre vitesse.

Supposons que j'ai deux tours de guet et que lorsque je vois les envahisseurs approcher, je crie vers l'autre tour. Le son voyagera comme des ondes dans l'air à la vitesse du son. À quelle vitesse les molécules dans l'air se déplacent-elles? Ça t'intéresse?

Certaines personnes ne la laisseront pas aller jusqu'à ce que le mouvement des molécules soit réellement expliqué, même si cela ne correspond généralement pas à leurs préoccupations. Alors voici la réponse: les molécules volent dans toutes les directions, tout le temps. Ils volent parce qu'ils ont une température non nulle. Certains sont très rapides. Certains sont très lents. Ils se bousculent tout le temps. C'est très aléatoire.

Lorsque vous criez, votre appareil vocal compresse (et raréfie, pendant que vos cordes vocales vibrent) une partie de l'air. Les molécules dans cette région comprimée veulent se déplacer dans une région avec moins de pression, alors elles le font. Mais maintenant, cette région voisine a trop d’air et est un peu plus comprimée que l’air qui l’entoure. La région comprimée s’étend donc un peu plus vers l’extérieur. Cette vague de compression se déplace dans les airs à la vitesse du son.

Tout cela se produit en superposition au mouvement aléatoire des molécules précédemment mentionnées. Il est peu probable que les mêmes molécules que celles présentes dans votre appareil vocal soient celles qui vibrent dans l'oreille de l'auditeur. Si vous regardez des molécules individuelles, vous les verrez aller dans toutes les directions. Vous remarquerez que si vous en observez beaucoup, un peu plus va dans une direction que dans une autre. Il est vrai pour tout ce que nous appellerions "son" que le mouvement aléatoire des molécules dû au bruit thermique est bien plus que leur mouvement dû au son. Lorsque le "son" devient le mouvement le plus pertinent, nous avons tendance à l'appeler non pas "son", mais plutôt "explosion".

La situation en matière d’électricité n’est pas très différente. Un conducteur métallique est plein d'électrons qui sont libres de se promener dans tout le circuit dans des directions aléatoires, et ils le font, simplement parce qu'ils sont chauds. Les choses dans nos circuits font des ondes dans cette mer d'électrons, et ces ondes se propagent à la vitesse de la lumière ¹ . Aux courants que nous rencontrons généralement dans les circuits, la majeure partie du mouvement des électrons est due au bruit thermique.

Alors maintenant, nous pouvons répondre aux questions:

À quelle vitesse les changements de champs électriques se propagent-ils? A la vitesse de la lumière dans le milieu dans lequel elles se propagent. Pour la plupart des câbles, cela représente environ 60% à 90% de la vitesse de la lumière dans le vide.

À quelle vitesse les porteurs de charge électrique se déplacent-ils? Les vitesses des porteurs de charge individuels sont aléatoires. Si vous prenez la moyenne de toutes ces vitesses, vous pouvez obtenir une vitesse qui dépend de la densité de porteurs de charge, du courant et de la section du conducteur, elle est généralement inférieure à quelques millimètres par seconde avec un fil de cuivre. Au-dessus de cela, les pertes résistives deviennent élevées dans les métaux ordinaires et les gens ont tendance à agrandir les fils au lieu de les forcer à bouger plus rapidement.

Lectures supplémentaires: Vitesse du flux d'électricité par Bill Beaty

^{1: La vitesse de la lumière dépend du matériau dans lequel se propage la lumière, tout comme pour le son. Voir Vitesse de propagation des ondes .}

C’est vraiment plus une question de physique que d’électronique ... La raison étant que les ingénieurs électriciens et électroniciens considèrent rarement de tels calculs subatomiques. Le fait que les électrons bougent est ce qui compte vraiment. La rapidité avec laquelle ils se déplacent importe peu au circuit. Ce qui peut être utile à l’ingénieur est de savoir à quelle vitesse un potentiel électrique (tension) peut changer car cela déterminera la transmission de données maximale sur un fil (vitesse du fil) qui est liée à la résistance, à la capacité et à l’inductance du porteur de charge, entre autres. Ceci est également associé à la vitesse de propagation de l'onde discutée dans certaines des autres réponses. Ce sont deux questions complètement différentes ...

Aperçu de l'électricité

Pour commencer, "l'électricité" ne coule pas. L'électricité est la manifestation physique du flux de charge électrique. Bien que ce terme s’applique à un large spectre de phénomènes, il est le plus souvent associé au mouvement (excitation) d’électrons - des particules subatomiques chargées négativement. Lorsque certains éléments sont composés, les électrons peuvent se déplacer librement d'un atome à l'autre à travers la couche la plus externe du nuage d'électrons. Un conducteur permet facilement le flux d'électrons, alors qu'un isolateur le limite. Les semi-conducteurs (comme le silicium) ont une conductivité contrôlable, ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans l'électronique moderne.

Comme vous le savez peut-être, le courant électrique est mesuré en ampères (ampères). Il s’agit en réalité d’une mesure du nombre d’électrons se déplaçant dans un seul point en une seconde:

1 ampère = 1 coulomb par seconde = 6.241509324x10 ^ 18 électrons par seconde

Tant qu'un potentiel (potentiel) est présent sur un conducteur (un fil, une résistance, un moteur, etc.), le courant circule. La tension est une mesure du potentiel électrique entre deux points. Par conséquent, une tension plus élevée permet un flux de courant plus élevé, c’est-à-dire le mouvement de plus d’électrons d’un point par seconde.

Vitesse de l'électron

Bien entendu, la vitesse connue à jeun est la vitesse de la lumière: 3 * 10 ^ 8 m / s. Cependant, les électrons ne se déplacent généralement pas près de cette vitesse. En fait, vous seriez surpris de savoir à quelle lenteur ils bougent.

La vitesse réelle de l'électron est appelée vitesse de dérive . Lorsqu'un courant circule, les électrons ne se déplacent pas en ligne droite à travers un fil, mais se trémoussent à travers les atomes. La vitesse moyenne réelle du flux d'électrons est proportionnelle au courant en utilisant la formule suivante:

v = I / (nAq) = courant / (densité de la porteuse * section de la porteuse * charge de la porteuse)

Cet exemple est tiré de Wikepedia , car je ne voulais pas chercher les numéros moi-même ...

Considérez un courant de 3A traversant un fil de cuivre de 1 mm de diamètre. Le cuivre a une densité de 8,5 * 10 ^ 25 électrons / m ^ 3 et la charge d'un électron est de -1,6 * 10 ^ (- 19) coulombs. Le fil a une section transversale de 7,85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2. Par conséquent, la vitesse de dérive serait:

v = (3 Coulombs / s) / (8,5 * 10 ^ 25 électrons / m ^ 3 * 7,85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2 * -1,6 * 10 ^ (- 19 Coulombs)

v = -0,00028 m / s

Notez la vitesse négative, ce qui implique que le courant circule réellement dans la direction opposée généralement pensée. En dehors de cela, la seule chose à noter est la lenteur du processus. Un courant de 3 ampères n'est pas si petit, et le fil de cuivre est un excellent conducteur! En fait, plus la résistance dans le porteur de charge est élevée, plus la vitesse sera rapide. Ceci est similaire au fait que différents réglages sur une pomme de douche provoquent la même pression d’eau qui sort du robinet à différentes vitesses. Plus le trou est petit, plus l'eau doit sortir rapidement!

Donner du sens à cela

Si les électrons se déplacent si lentement, comment est-il possible de transmettre des données aussi rapidement? Ou même, comment un interrupteur peut-il contrôler une lumière instantanément de si loin? Cela est dû au fait qu’aucun électron ne doit circuler d’un point à l’autre du circuit pour que rien ne fonctionne. En fait, il y a beaucoup d'électrons libres (la quantité dépend de la composition élémentaire du matériau porteur) en tout point du circuit, qui bougent dès qu'un potentiel (tension) suffisamment élevé est appliqué.

Pensez à l'eau dans un tuyau. S'il n'y a pas d'eau dans le tuyau pour commencer, il faudra un certain temps pour que l'eau atteigne le robinet lorsqu'un bec est allumé. Cependant, dans une maison, il devrait déjà y avoir de l’eau à chaque point de la canalisation, pour que l’eau sorte du robinet dès que celui-ci est ouvert. Il n’a pas besoin de se déplacer de la source d’eau au robinet car il est déjà dans la conduite, dans l’attente du potentiel pour le faire passer. C'est la même chose avec un fil: il y a déjà tellement d'électrons dans le fil, qui n'attendent que d'être poussés à cause de la présence du potentiel de tension. La vitesse qu'il faudrait à un électron pour se déplacer d'un point à un autre du fil n'a aucune pertinence.

D'autre part, la vitesse de transmission des données sur un support physique est importante et a un maximum théorique, comme indiqué dans cette merveilleuse question-réponses, de sorte que je n'entrerai pas dans les détails ici.

Les électrons vous induisent en erreur. Ignore les. Ils vont dans la mauvaise direction, de toute façon. Les gens aiment construire de petits modèles animés qui montrent qu'ils se déplacent (ce qui est vrai) et observent que la communication électronique est quasi instantanée - vrai. Ils en concluent que les électrons se déplacent presque instantanément - ce qui est faux.

1. À quelle vitesse l'électricité circule-t-elle?

   Il y a deux interprétations possibles: "à quelle vitesse les électrons se déplacent-ils?" et "à quelle vitesse un signal électronique voyage-t-il?"

   Kurt a déjà répondu "à quelle vitesse les électrons se déplacent-ils?" avec la vitesse de dérive . Cependant, les signaux électroniques sont définis par l'onde électromagnétique qui se propage à travers le matériau à l'aide des porteurs de charge. Le signal se propage à une fraction de la vitesse de la lumière, affectée par les propriétés de la ligne de transmission .

   Cela impose de réelles limitations aux systèmes à grande vitesse. En pratique, il faut environ une nanoseconde à un signal pour se propager sur 30 cm de PCB. Il en résulte une latence minimale entre les parties d’un ordinateur.

   L’inductance et la capacité de ligne limitent la netteté avec laquelle vous pouvez créer un bord et l’envoyer sur une ligne. Il va s'éteindre vers une forme sinusoïdale.

   Notez que la quantité de données que vous pouvez transmettre à un opérateur est encore différente, en fonction de son rapport signal sur bruit. La vitesse de propagation détermine la latence minimale et non la bande passante.

2. La vitesse d'un électron est-elle différente, par exemple, d'une résistance par rapport à celle d'un fil?

3. Est-ce que ça importe?

   D'en haut, nous savons que les réponses sont "oui" et "non", pour les vitesses des électrons.

   La vitesse de propagation des ondes dépend de la capacité, de l'inductance et de la constante diélectrique du matériau que vous propagez et des isolateurs proches des plans de masse. Par conséquent, un signal se propage à une vitesse très légèrement différente à travers une résistance par rapport à un fil, car il est fabriqué dans un matériau différent et s’éloigne du tableau.

4. Ou bien les effets de l'électron sont-ils la seule chose importante, les niveaux d'abstraction inférieurs ne sont-ils pas utiles dans la pratique?

La plupart du temps, vous n'avez pas à vous soucier des électrons. Ils interviennent directement dans les tubes cathodiques, les afficheurs à fluorescence sous vide et les "valves" thermoioniques.

C'est également le cas des semi-conducteurs, où la physique est dure et parfois contre-intuitive, mais les connaissances de base sur l'utilisation d'un transistor, d'un FET ou d'une diode dans un circuit sont beaucoup plus simples.

Considérons une ligne de dominos - poussez-en une à cette extrémité et la perturbation se propage à l'autre. Les vitesses des pièces individuelles et celles du front de perturbation ou de vague sont très différentes, et aucune pièce individuelle ne se déplace d’ici à là-bas.

Il y a un certain nombre d'idées qui sont pertinentes

• À quelle vitesse les électrons se déplacent-ils?
• À quelle vitesse les électrons dérivent-ils lorsqu'un courant circule?
• à quelle vitesse un signal se propage-t-il le long d'un fil de cuivre

Vous pouvez associer cela à la vieille analogie eau-tuyaux

• Les molécules de H2O sont toujours agitées à l'état liquide (ou dans tout état supérieur à 0 Kelvin?)
• Les molécules de H2O dans un tuyau flexible dérivent aussi lentement du robinet vers la buse
• Lorsque vous ouvrez le robinet, l'onde de pression se déplace beaucoup plus rapidement que la vitesse de dérive.

Les réponses réelles pour les électrons sont

• Je ne sais pas, assez vite. 2 x 10 ^ 6 m / s? ( réf †)
• Une valeur typique peut être 1 mètre par heure.
• Une fraction de la vitesse de la lumière. ( réf ‡)

_{† Pour un électron dans une orbite spécifique, probablement très différent pour les électrons "libres" dans le cuivre :-).
‡ Pour un signal en saumure, probablement très différent pour le cuivre :-)}

Un autre aspect de ceci:

Avant que quiconque puisse répondre à la question du PO, nous devons d’abord définir le mot "électricité". Lorsque les électrons circulent, s'agit-il d'un "flux d'électricité?" Non et oui! Différents manuels se contredisent. Il n’existe pas de réponse simple sur laquelle les experts peuvent s’accorder.

La physique dit que la quantité d'électricité est définie comme des coulombs; comme charge. (Voir le manuel du CRC, par exemple. Ou le NIST, ou les normes MKS SI pour les unités de physique.) Selon cette définition du terme "électricité", nous dirions que l'électron transporte une petite quantité d'électricité au fur et à mesure de ses déplacements. Dans les métaux, l’électricité qui coule, le courant électrique, sont des électrons à dérive lente.

Pourquoi c'est un problème? Simple: la plupart des manuels autres que de physique sont totalement en désaccord. Au lieu de cela, ils déclarent que "électricité" signifie "flux d'électrons" ou courant. Pour eux, "l'électricité" n'est pas le coulomb, mais le débit; les ampères. Pour eux, chaque fois que le flux s'arrête, "l'électricité" a disparu.

Mais pour les physiciens, lorsque le flux s'arrête, l'électricité reste immobile dans les fils, car la densité des porteurs ne change pas lorsque les ampères changent. Pour les physiciens, tous les fils sont déjà pleins d’électricité; contenant toujours une "mer d'électrons"; les transporteurs mobiles de tous les métaux. Mais pour les manuels autres que de physique, les fils sont comme des tuyaux vides où «l’électricité» avance à une vitesse proche de celle de la lumière.

Qu'est-ce que l'électricité? Les normes de physique (MKS, la convention de normes SI) définissent clairement l'électricité. Mais nos manuels scolaires l'ignorent ou prétendent en silence que les normes de physique peuvent être modifiées à volonté. Au lieu de cela, les manuels scolaires s’accordent tous pour définir l’électricité de manière très différente: non pas comme quantité de charges, mais comme mouvement fluide des charges.

Qu'est-ce que l'électricité? (Ou plus facétieusement, l'électricité est-elle… le flux de l'électricité? Et chaque fois que l'électricité commence à couler, appelons-nous ce flux par le nom "... électricité?")

:)

Cette folie infecte même le langage technique. Les physiciens disent que les électrons sont les porteurs de charge dans les métaux. Les ingénieurs les appellent plutôt ... des porteurs actuels? Oui. Vérifiez n'importe quel texte d'ingénierie universitaire. Les physiciens connaissent la conservation de la charge. C'est une loi fondamentale. Mais nous, ingénieurs, découvrons ... La conservation du courant?! On nous apprend que le courant est la "substance" qui circule dans les fils. Les manuels EE sont remplis de la phrase "flux de courant", et mentionnent rarement, voire jamais, la version correcte, "flux de charge".

La solution traditionnelle à de tels problèmes est bien connue: élaborer des normes et définir les termes techniques de manière étroite. Ensuite, respectez scrupuleusement ces normes linguistiques. N'utilisez pas les définitions populaires, mais utilisez exclusivement une terminologie scientifique étroite. Cela coupe à travers tout le brouillard et le BS et la confusion. Pourtant, dans ce cas, la bataille serait ardue, puisque l’utilisation de normes de physique signifierait que des milliers de manuels de science / électronique / ingénieur non physiques et que des générations d’experts se trompent fondamentalement. En raison de leur utilisation constante de la terminologie scientifique de base, de nombreuses générations d’élèves n’ont plus aucune idée de ce qu’est réellement "l’électricité" et doivent donc constamment se demander si elle coule lentement avec Drift Velocity (le flux de charge).

Plus de découpage en BS: les courants ne circulent pas mais se propagent. Lorsque nous poussons sur une extrémité d'une tige, le mouvement ne coule pas. Au lieu de cela, il se propage comme une onde. Même chose avec les courants dans les circuits: flux de charges oui, mais propagation d’ondes des courants. La propagation des courants près de la vitesse de la lumière est la même chose qu'une onde EM.

Et enfin, posez-vous cette question cruciale: dans les rivières et les ruisseaux, le courant circule-t-il? Ou est-ce que le truc s'appelle réellement "eau?"