Catégorie : Physique Publié : 19 février 2014
La vitesse de l’électricité dépend vraiment de ce que vous entendez par le mot « électricité ». Ce mot est très général et signifie fondamentalement, « tout ce qui se rapporte à la charge électrique ». Je vais supposer que nous faisons référence à un courant de charge électrique voyageant dans un fil métallique, comme dans le cordon d’alimentation d’une lampe. Dans le cas des courants électriques qui se déplacent dans les fils métalliques, trois vitesses différentes sont présentes, toutes physiquement significatives :
- La vitesse individuelle des électrons
- La vitesse de dérive des électrons
- La vitesse du signal
Pour comprendre chacune de ces vitesses et pourquoi elles sont toutes différentes et pourtant physiquement significatives, nous devons comprendre les bases des courants électriques. Les courants électriques dans les fils métalliques sont formés par des électrons libres qui se déplacent. Dans le contexte des courants électriques typiques des fils métalliques, les électrons libres peuvent être considérés comme de petites boules rebondissant dans la grille d’atomes lourds et fixes qui constituent le fil métallique. Les électrons sont en réalité des entités quantiques, mais l’image quantique plus précise n’est pas nécessaire dans cette explication. (Lorsque vous ajoutez les effets quantiques, la vitesse de l’électron individuel devient la « vitesse de Fermi »). Les électrons non libres, ou électrons de valence, sont trop étroitement liés aux atomes pour contribuer au courant électrique et peuvent donc être ignorés dans cette image. Chaque électron libre du fil métallique vole constamment en ligne droite sous l’effet de sa propre impulsion, entre en collision avec un atome, change de direction à cause de la collision, et continue en ligne droite jusqu’à la prochaine collision. Si un fil métallique est laissé à lui-même, les électrons libres qu’il contient se déplacent constamment et entrent en collision avec des atomes de manière aléatoire. Macroscopiquement, nous appelons « chaleur » le mouvement aléatoire des petites particules. La vitesse réelle d’un électron est le nombre de nanomètres par seconde qu’il parcourt en ligne droite entre deux collisions. Un fil laissé à lui-même ne transporte aucun signal électrique, donc la vitesse individuelle des électrons qui se déplacent au hasard n’est qu’une description de la chaleur dans le fil et non du courant électrique.
Maintenant, si vous connectez le fil à une batterie, vous avez appliqué un champ électrique externe au fil. Le champ électrique pointe dans une direction sur la longueur du fil. Les électrons libres du fil ressentent la force de ce champ électrique et accélèrent dans la direction du champ (dans la direction opposée, en fait, car les électrons sont chargés négativement). Les électrons continuent à entrer en collision avec les atomes, ce qui les fait encore rebondir dans différentes directions. Mais en plus de ce mouvement thermique aléatoire, ils ont maintenant un mouvement net ordonné dans la direction opposée au champ électrique. Le courant électrique dans le fil est constitué de la partie ordonnée du mouvement des électrons, tandis que la partie aléatoire du mouvement constitue toujours la chaleur dans le fil. L’application d’un champ électrique (par exemple, la connexion d’une batterie) entraîne donc la circulation d’un courant électrique dans le fil. La vitesse moyenne à laquelle les électrons se déplacent le long d’un fil est ce que nous appelons la « vitesse de dérive ».
Même si les électrons dérivent, en moyenne, le long du fil à la vitesse de dérive, cela ne signifie pas que les effets du mouvement des électrons se déplacent à cette vitesse. Les électrons ne sont pas vraiment des boules solides. Ils n’interagissent pas les uns avec les autres en se heurtant littéralement à leurs surfaces respectives. Les électrons interagissent plutôt par le biais du champ électromagnétique. Plus deux électrons sont proches l’un de l’autre, plus ils se repoussent grâce à leur champ électromagnétique. Ce qui est intéressant, c’est que lorsqu’un électron se déplace, son champ se déplace avec lui, de sorte que l’électron peut pousser un autre électron plus loin dans le fil à travers son champ bien avant d’atteindre physiquement le même endroit dans l’espace que cet électron. Par conséquent, les effets électromagnétiques peuvent se propager le long d’un fil métallique beaucoup plus rapidement que n’importe quel électron individuel. Ces « effets » sont des fluctuations du champ électromagnétique lorsqu’il se couple aux électrons et se propage le long du fil. Puisque l’énergie et l’information sont transportées par les fluctuations du champ électromagnétique, l’énergie et l’information se propagent également beaucoup plus vite le long d’un fil électrique que n’importe quel électron individuel.
La vitesse à laquelle les effets électromagnétiques se propagent le long d’un fil est appelée « vitesse du signal », « vitesse de l’onde » ou « vitesse du groupe ». Notez que certains livres insinuent que la vitesse du signal décrit un effet d’onde purement électromagnétique. Cette insinuation peut être trompeuse. Si le signal voyageant le long d’un câble électrique était une onde électromagnétique isolée, alors le signal voyagerait à la vitesse de la lumière dans le vide c. Mais ce n’est pas le cas. Au contraire, le signal qui se déplace le long d’un câble électrique implique une interaction entre les fluctuations du champ électromagnétique (l’onde) et les électrons. C’est pourquoi la vitesse du signal est beaucoup plus rapide que la vitesse de dérive des électrons, mais plus lente que la vitesse de la lumière dans le vide. En général, la vitesse du signal est assez proche de la vitesse de la lumière dans le vide. Notez que la « vitesse du signal » dont il est question ici décrit la vitesse physique des effets électromagnétiques qui se déplacent le long d’un fil. En revanche, les ingénieurs utilisent souvent l’expression « vitesse du signal » d’une manière non scientifique alors qu’ils veulent vraiment dire « débit binaire ». Si le débit binaire d’un signal numérique voyageant sur un réseau dépend effectivement de la vitesse physique du signal dans les fils, il dépend également de la capacité des ordinateurs du réseau à acheminer les signaux sur le réseau.
Considérez cette analogie. Une longue file de personnes attend d’entrer dans un restaurant. Chaque personne s’agite nerveusement à sa place dans la file. La personne à la fin de la file s’impatiente et bouscule la personne devant elle. À son tour, lorsque chaque personne de la file reçoit une bousculade de la personne derrière elle, elle bouscule la personne devant elle. La poussée sera donc transmise de personne en personne, vers l’avant de la file. La poussée atteindra les portes du restaurant bien avant que la dernière personne de la file ne s’y rende personnellement. Dans cette analogie, les personnes représentent les électrons, leurs bras représentent le champ électromagnétique et la poussée représente une fluctuation ou une onde dans le champ électromagnétique. La vitesse à laquelle chaque personne s’agite représente la vitesse individuelle des électrons, la vitesse à laquelle chaque personne progresse individuellement sur la ligne représente la vitesse de dérive des électrons, et la vitesse à laquelle la poussée traverse la ligne représente la vitesse du signal. Sur la base de cette simple analogie, on peut s’attendre à ce que la vitesse du signal soit très rapide, la vitesse individuelle un peu rapide et la vitesse de dérive lente (notez qu’en physique, il existe également une autre vitesse pertinente dans ce contexte, appelée « vitesse de phase ». La vitesse de phase est plus un outil mathématique qu’une réalité physique, je ne pense donc pas qu’il vaille la peine d’en discuter ici).
La vitesse individuelle des électrons dans un fil métallique est typiquement de plusieurs millions de kilomètres par heure. En revanche, la vitesse de la dérive n’est généralement que de quelques mètres par heure, tandis que la vitesse du signal est de cent millions à un billion de kilomètres par heure. En général, la vitesse du signal est un peu proche de la vitesse de la lumière dans le vide, la vitesse de l’électron individuel est environ 100 fois plus lente que la vitesse du signal, et la vitesse de dérive de l’électron est aussi lente qu’un escargot.
Thèmes : vitesse de dérive, électricité, électromagnétisme, électron, vitesse de groupe, vitesse, onde, ondes
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