Courant constant dans un circuit?

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schématique

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Une batterie pompe les électrons en créant un champ électrique et en convertissant l'énergie potentielle électrique en cinétique. Près de la borne positive, les électrons ont plus d'énergie cinétique, donc le courant ne devrait-il pas être plus élevé?

Une analogie pourrait clarifier ma question: si vous faites tomber une balle d'un bâtiment, la balle accélérera lorsqu'elle atteindra le sol car plus d'énergie potentielle a été convertie en énergie cinétique. De même, les électrons ne devraient-ils pas se déplacer plus rapidement à l'approche de la borne positive, car ils ont plus d'énergie cinétique? Et par conséquent, le courant ne devrait-il pas être plus élevé?

electromagnetism physics

— dfg
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votre analogie est complètement éteinte. La réalité ressemble plus au berceau de Newton. Dans votre analogie, il n'y a qu'une seule molécule (une balle). En réalité, dès que vous déposez un électron, il se heurtera simplement à un autre électron.

— hassan789

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Dans les circuits électriques, la vitesse est à peu près le courant (Coulombs / sec). L'énergie cinétique est proportionnelle à la vitesse au carré (1/2 * m * v ^ 2), cela signifie que si vous avez un courant constant, vous avez en moyenne une énergie cinétique constante.

Par conséquent, puisque tout le fil est rempli d'électrons (pratiquement sans espace); tous les électrons doivent avoir la même vitesse (même courant), et donc l'énergie cinétique est égale partout.

Analogie, où molécules d'eau = électrons. Vous pouvez voir que les molécules au début de la pompe n'ont pas une plus grande vitesse (courant). entrez la description de l'image ici

Une autre analogie plus faible est celle d'un train. Imaginez le moteur (batterie) comme le mécanisme qui applique la force (tension / emf) au reste des chariots (électrons). Tous les chariots du train auront la même vitesse.

— hassan789
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L'énergie cinétique n'est pas proportionnelle à la vitesse. L'élan est proportionnel à la vitesse (en supposant que la mécanique newtonienne - non relativiste - est en jeu)

— Spehro Pefhany

C'est proportionnel à , pas à . Dans l'exemple que j'ai cité, cela fait oh, environ 8 ordres de grandeur, et il est important de comprendre pourquoi l'énergie cinétique des électrons a un effet négligeable.

v^{2}

$v^2$

v

$v$

— Spehro Pefhany

désolé, vous avez raison, V ^ 2. Cependant, en supposant que V est constant, le KE l'est aussi.

— hassan789

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Il y a ici de bonnes réponses théoriquement solides. Permettez-moi d'essayer d'expliquer d'un point de vue différent:

J'ai tendance à ne pas penser aux électrons qui traversent les fils, car cela implique que leur masse et leur impulsion sont à l'origine du transfert de puissance. Vous entendez souvent que vous devriez imaginer un tube de balles de ping-pong. Mais cela peut aussi être trompeur! Imaginez plutôt un tuyau de 8 pieds de diamètre rempli de sable. Vous forcez du sable à une extrémité, et certains sortiront à l'autre extrémité, mais la vitesse, la masse et l'élan ne jouent pas beaucoup.

Le transfert d'énergie se produit à cause d'un front d'onde d'électrons excités poussant (via des champs électriques) tous les autres électrons autour d'eux. Pas à cause de la masse électronique conférant une impulsion newtonienne. La dérive d'électrons réelle dans un conducteur en cuivre de 1 mm d'épaisseur est de l'ordre du millimètre par seconde!

En fait, c'est l'un des grands endroits où l'analogie avec l'eau tombe en panne. Il n'y a pas d'élan électrique basé sur la masse! (C'est une déclaration forte, et pas tout à fait correcte, mais elle vous servira bien)

Si vous voulez "ajouter" de l'élan à votre circuit, vous utiliserez une inductance. Cela rend l'analogie de l'eau à nouveau utile :)

Il y a un excellent exemple de cet analogique. Découvrez ce Youtube d'une pompe Ram: http://www.youtube.com/watch?v=qWqDurunnK8 . C'est une technologie ancienne et soignée que beaucoup de gens n'ont jamais vue. Il s'avère que c'est exactement la même chose qu'un convertisseur boost! Si vous n'avez pas encore vu de convertisseurs boost, vous le ferez bientôt. Ils sont utilisés partout dans les circuits électriques.

La pompe Ram fonctionne sur la base de l'élan. Pour le faire fonctionner en électronique, vous utilisez une inductance pour donner une impulsion analogique! C'est génial! Utilisez une diode pour la valve unidirectionnelle et un condensateur pour la chambre de pression.

Vous vous lancez dans une aventure amusante, toute cette histoire d'ingénierie / physique :)

Bonne chance.

— bitsmack
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Pourquoi la constante actuelle est-elle partout?

Eh bien, ce n'est pas vraiment le cas. Voici ce qui manque dans votre analogie: si la différence de potentiel gravitationnel du haut vers le bas du bâtiment est analogue à la différence de potentiel électrique (tension) de la batterie et que la balle représente une charge électrique (disons, un électron) , ce qui vous manque, c'est toutes les autres charges dans le fil.

Tous les conducteurs sont remplis de charges électriques mobiles, comme un tuyau plein d'eau. Si vous mettez une charge à une extrémité, vous créez une "pression" plus élevée à cette extrémité. Ensuite, une vague de force se propage à travers le fluide avec pour résultat final d'égaliser la pression partout. Dans l'eau, ces ondes se déplacent à la vitesse du son. Dans un fil, ils se déplacent à la vitesse de la lumière. ¹

Parce que ces ondes finiront par se propager dans tout le circuit, si la tension de votre batterie ne change pas, elle finira par atteindre l'équilibre et le courant sera le même partout. Lorsque la taille du circuit est petite, la lumière est si rapide que c'est une hypothèse simplificatrice raisonnable que ces ondes se propagent "instantanément", et donc le courant est le même partout dans la boucle.

Lorsque ce n'est pas le cas et que le temps nécessaire pour que les changements se propagent devienne significatif, le circuit sera probablement modélisé avec une ligne de transmission et vous entrez probablement dans la discipline de l'ingénierie RF .

Vous ne devriez probablement pas non plus penser aux électrons se déplaçant de la borne négative à la borne positive. Vous vous confondrez parce que tout sera à l'envers (parce que les électrons sont une charge négative ), et vous oublierez également environ la moitié de la charge dans l'univers: les protons et autres charges positives . Le mouvement des électrons individuels est rarement pertinent, et dans de nombreux circuits (et certainement n'importe quel circuit avec une batterie), les électrons ne sont pas les seuls porteurs de charge. Habituellement, nous nous soucions des forces transmises par les porteurs de charges, pas les porteurs de charges. Voir:

Dans votre cas particulier, lorsque la batterie est connectée pour la première fois, les électrons sont attirés vers la borne positive et repoussés depuis la borne négative. Le courant commence à circuler aux deux bornes de la batterie, puis l'onde de force se propage à travers le fil jusqu'à ce que le courant circule partout et que le circuit atteigne l'équilibre.

Vous trouveriez probablement aussi cela instructif: comment le courant sait-il combien de flux, avant d'avoir vu la résistance?

^{1: La vitesse de la lumière dans certains matériaux diffère, tout comme la vitesse du son. Voir le facteur de vitesse et le rayonnement Cherenkov très frais , quelque chose comme l'analogue léger d'un boom sonique.}

— Phil Frost
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L'énergie cinétique de la dérive des électrons est minime. Nous pouvons en voir l'effet dans les circuits supraconducteurs et à des fréquences proches de la lumière du jour, où il apparaît comme une sorte d' inductance , mais il n'est pas significatif dans les circuits ordinaires.

Les électrons dans un fil dérivent très lentement, mètres par heure. Cela représente un courant important car il y en a beaucoup.

Rappelons que le courant est le flux de charge (quantifié en tant que charge par électron) par unité de temps, rien à voir avec l'énergie cinétique, seulement le nombre d'électrons passant par un `` diviseur '' donné par seconde.

— Spehro Pefhany
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Un bon moyen de visualiser la dérive des électrons est de serrer complètement un tube de grand diamètre avec des balles de ping-pong de haut en bas. De bien serrer jusqu'à ce que les balles affleurent aux bords. Si vous poussez une balle de plus à une extrémité, une balle sort à l'autre extrémité. C'est la dérive des électrons! Le tube plein de balles de ping-pong est comme le fil plein d'électrons. Mettre une balle à une extrémité fait sortir l'une à l'autre extrémité. Même si la balle n'a bougé que de 40 mm (le diamètre d'une balle de ping-pong), le travail a été fait à l'autre extrémité du tube (le fil)

— Brian Onn

une partie (pas la totalité) du raisonnement est erronée. Par exemple, le courant est en fait directement lié à l'énergie.

— hassan789

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Les électrons se déplaçant dans un fil ne sont pas comme des balles qui tombent.

Lorsque vous laissez tomber une balle d'un bâtiment, elle n'a pas grand chose à arrêter jusqu'à ce qu'elle touche le sol. Il n'y a que de l'air sur le chemin, ce qui représente une très petite influence sur le ballon dans les conditions que l'on pourrait imaginer dans cette expérience de pensée.

Les circuits électriques ne sont pas comme ça. La masse des électrons par rapport à la masse de tout le reste (protons, neutrons) dans le fil est très petite. Mais plus important encore, le fil est plein d'électrons. Vous ne pouvez pas "laisser tomber" un électron: il ne fera que toucher d'autres électrons. Ne pensez pas à une balle: pensez à une mer de balles. Les balles individuelles ne sont pas vraiment si pertinentes: généralement, nous nous soucions de savoir comment exploiter ce "fluide" invisible pour faire du travail.

Soit dit en passant, le circuit que vous avez tracé ne peut pas exister. Dans un schéma, les lignes représentent des «fils» idéaux qui sont infiniment conducteurs, ce qui signifie que la tension est la même partout en eux. Il existe de nombreuses façons d'expliquer cela, mais en voici une: prenez la loi d'Ohm:

V = je R

$V = IR$

Notre fil idéal "infiniment conducteur" signifie "résistance nulle". Donc:

V = je \cdot 0 Ω

$V = I \cdot 0 \Omega$

Peut tension ( $V$ ) être autre chose que zéro volt?

La batterie quant à elle maintient idéalement un 9V constant entre ses bornes. Si nous appelons le potentiel à la borne positive $V_+$ et le potentiel à la borne négative $V_-$ , alors la batterie introduit la contrainte:

V_{+} - V_{-} = 9 V

$V_+ - V_- = 9\mathrm V$

Le fil schématique reliant les bornes de la batterie partage également les mêmes bornes de la batterie, et comme ci-dessus, la tension aux bornes de ce fil doit être de 0 V, par définition. Nous avons donc ce système d'équations:

{\begin{cases} V_{+} - V_{-} = 9 V \\ V_{+} - V_{-} = je \cdot 0 Ω \end{cases}

$\begin{cases} V_+ - V_- = 9\mathrm V \\ V_+ - V_- = I \cdot 0\Omega \end{cases}$

Y a-t-il une solution à ce système d'équations? Il n'y a pas. Ce circuit ne peut pas exister.

Si vous essayez de construire ce circuit avec un vrai fil, ce fil aura une petite résistance. Disons que c'est $1\Omega$ . La plupart des fils courts seront moins nombreux, mais cela simplifiera les calculs. Maintenant, les équations sont:

{\begin{cases} V_{+} - V_{-} = 9 V \\ V_{+} - V_{-} = je \cdot 1 Ω \end{cases}

$\begin{cases} V_+ - V_- = 9\mathrm V \\ V_+ - V_- = I \cdot 1\Omega \end{cases}$

Maintenant, il est clair que le courant sera de 9A.

Cela devrait rendre votre expérience de pensée plus claire: dans tout circuit réel , il doit y avoir une résistance ¹ entre les bornes de la batterie. Si vous voulez faire une analogie avec des phénomènes physiques plus familiers, la résistance est comme un frottement qui agit sur la charge électrique. C'est là que l'énergie du déplacement de la charge d'un potentiel élevé (borne positive) à un potentiel inférieur (borne négative) va: elle est convertie en chaleur dans la résistance.

^{1: les supraconducteurs n'ont pas de résistance, mais ils ont une inductance. À condition que la batterie puisse continuer à fournir de l'énergie, il n'y a pas de limite à la hauteur du courant, mais le courant croît à un rythme fini, donc un courant infini nécessiterait une source d'énergie infinie.}

— Phil Frost
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Merci, mais vous n'avez pas répondu à ma question! Votre réponse a clairement indiqué que le circuit ne peut pas exister et que les électrons sont comme du fluide, mais vous n'avez pas vraiment répondu à ma question. Pourquoi le "fluide" n'accélère-t-il pas?

— dfg

@dfg Je vais essayer une approche différente dans une autre réponse. Stand by ...

— Phil Frost