Le Repaire des Sciences
Sciences Physiques et Chimiques

 

 

 

 

    

Quelle est la vitesse de l'électricité ?

 

 

La questions est légitime. L'électricité est un mouvement de porteurs de charge électrique (électrons dans les métaux, ions en solution électrolytique) sous l'action d'une différence d'état électrique, d'une différence de potentiel électrique, entre deux points reliés par un matériau conducteur. Le générateur a par exemple un rôle bien précis : celui d'une pompe à électrons. En assurant une différence de potentiel entre ses deux bornes, il permet de créer une circulation de porteurs de charges dans les conducteurs auxquels il est relié.

Imaginons que l'on ferme un circuit électrique simple.

Tout d'abord, il faut considérer la vitesse à laquelle circule l'information de fermeture. C'est la vitesse à laquelle les électrons vont se mettre en mouvement. En fermant le circuit, on crée un champ électrique : ce champ électrique se propage à la vitesse de la lumière (de l'ordre de 230 000 km/s dans les solutions électrolytiques et de 270 000 km/s dans les métaux conducteurs comme le cuivre). Par exemple, en TP, pour l'alimentation d'une lampe par un fil de 50 cm, il faut compter une durée de 2 ns (2 milliardièmes de seconde).

Les porteurs de charge, eux, se déplacent beaucoup plus lentement que l'information de fermeture du circuit. Dans un fil de cuivre, par exemple, il faut compter environ une heure pour un parcours de 60 cm ! Cette lenteur est encore plus problématique en courant alternatif : si l'on prend exemple de celui fourni par EDF, à 50 Hz, les électrons font l'aller-retour 50 fois par seconde... autant dire qu'ils ne bougent quasiment pas.

 

Expérimentons : j'appuie sur l'interrupteur, et tout de suite (si c'est une ampoule à filament), la lampe s'allume. Donc, ça m'a tout l'air de circuler drôlement vite. Pour un physicien, "drôlement vite", c'est souvent la vitesse de la lumière. Alors, le courant va aussi vite que la lumière ?

        Hum... Peut-être trop facile. Essayons autre chose, faisons deux petits circuits qui se ressemblent, pour faire une lampe commandée par un interrupteur :

Dans un sens...
... Et dans l'autre.
  Là, il ne doit pas y avoir de problème, les électrons déboulent de la pile, et sont bloqués par l'interrupteur. Dès qu'il se refermera, ils iront traverser l'ampoule qui s'allumera. On essaye, et ça marche comme prévu.   Dans ce cas, les électrons traversent d'abord l'ampoule, qui doit s'allumer, avant d'être arrêtés par l'interrupteur, il devrait donc ici mal jouer son rôle. On essaie... Mais ce montage marche exactement comme le premier. Bizarre...

        Il doit donc y avoir une erreur de raisonnement quelque part. D'où sortent ces électrons dont le déplacement matérialise le courant ? De la pile ? Non, ils sont présents en fait, alors même que le courant ne circule encore pas, dans le métal des fils du circuit. Chaque atome de cuivre peut prêter un électron. Il ne faut donc pas les imaginer piaffant d'impatience derrière la barrière de l'interrupteur, attendant que le passage soit libre. Ils sont en "file indienne", tout au long du circuit, à la manière des wagons d'un train. Dès que la locomotive démarrera, le dernier wagon commencera à bouger :

des wagons? ou des électrons?

 

       On peut aussi imaginer les choses ainsi: Les électrons sont répartis tout au long des fils, et circulent tant que la pile leur fournit de l'énergie. Mais qu'un interrupteur soit placé n'importe où, et le flot sera immobilisé. Mais à y réfléchir, ils n'ont donc plus besoin de se déplacer aussi vite qu'on le pensait. Dés qu'un démarre, l'autre bout de la file se met en mouvement. Oh, il y a bien un léger délai, comme pour un train d'ailleurs, la loco ne met pas en mouvement immédiatement le dernier wagon, il faut le temps que les diverses liaisons soient tendues. Pour les électrons, c'est pareil, ils se repoussent les uns les autres, mais à la vitesse de l'information, 300000 km/s !
Une chaîne d'électrons

    En fait, les électrons du cuivre se déplacent à environ 1 mm/s, plus lentement qu'un escargot !... Mais l'information de mouvement se déplace bien à la vitesse de la lumière...

        Et pour être encore plus proche de la réalité, il faut préciser que ce 1 mm/s n'est qu'une vitesse moyenne. Les électrons ont un mouvement anarchique à de très grandes vitesses, proches de celle de la lumière. S'il n'y a pas de courant, ce n'est pas que les électrons sont immobiles, mais c'est que leur vitesse moyenne est nulle. Quand on constate qu'un courant circule, c'est que les particules possèdent globalement un supplément de vitesse de 1 mm/s, ce qui est faible, mais dans le même sens pour tous les électrons, ce qui conduit à leur vitesse moyenne.

        Comme d'habitude, les apparences sont parfois trompeuses.