Les électrons circulent-ils réellement lorsquune tension est appliquée?

Penser au courant en termes délectrons se déplaçant est le sengager sur la voie dun mauvais modèle mental du fonctionnement de lélectricité. Voici quelques problèmes:

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

• Les protons qui équilibrent les électrons sont tout aussi importants. Si vous naviez que des électrons, tous les électrons de lunivers seraient repoussés les uns des autres et se propageraient dans lunivers.

• Les électrons ont une charge négative et vous vous confondrez sans aucune raison valable penser à la façon dont ils passent du négatif au positif. Cela na pas vraiment dimportance.

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

Limportant est ceci: les porteurs de charge (les électrons étant lun de ceux-ci) peuvent être utilisés pour transmettre une force électromotrice (généralement appelé juste tension). Cest un concept assez ordinaire, vraiment. Vous pouvez pousser une extrémité dune tige et transmettre une force mécanique à lautre 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 dondes se propageant à la vitesse du son dans ce matériau
2. si et seulement si nous transmet 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 on ne voit pas la charge électrique, la différence n’est pas évidente .

Donc, votre question était: Les électrons circulent-ils réellement w lorsquune tension est appliquée? À proprement parler, la réponse est peut-être , et cela dépend de ce que vous entendez par flux . Cest similaire à la question, est-ce quune corde bouge quand vous la tirez? Eh bien, si elle est attachée à un ballon, elle peut bouger beaucoup. Sil est fixé à un mur de briques, il risque de 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 deau individuelles grouillent dans un tuyau, même sil ny a pas de flux net. Le courant décrit le mouvement moyen. Dans le cas du courant continu, le mouvement moyen est dans un cercle.

La façon dont les porteurs de charge individuels interagissent pour accomplir ceci est compliquée, et cest vraiment une question de physique, pas une question délectronique. Cependant, Je vous suggère de consulter ce tutoriel du MIT sur les champs .

Commentaires

• Mais afaik un tas délectrons senvolera, pas de câlins ensemble en une boule.
• @WoutervanOoijen oui, je suppose que vous avez raison 🙂 En tout cas, ce serait un monde très différent!
• 90% de tout ce que je lis est tout simplement faux en ce qui concerne les électrons se déplaçant et perdant des électrons.

Les électrons se déplacent physiquement lorsquune tension est appliquée – extrêmement lentement .

Un circuit alimenté à 100VDC, alimentant une charge de 1A (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

• Q est le nombre délectrons par centimètre cube de cuivre (environ \ $ 8.5 \ times 10 ^ {22} \ $)
• R est le rayon du fil
• e est la charge par électron (environ \ $ 1,6 \ fois 10 ^ {- 19} \ $ coulombs)

Ceci correspond à 8,4 cm / heure . Pas exactement rapide.

La clé est le fait que cest l énergie qui court à travers le circuit presque instantanément – pas les électrons eux-mêmes. (Les électrons constituent une « autoroute » pratique pour permettre à lénergie de circuler rapidement.)

Il est malheureux que la lente dérive des électrons sous une tension se soit retrouvée avec le même nom que le flux dénergie qui en fait fonctionne dans un circuit.

Commentaires

• Sans cette lente dérive délectrons, il ny a pas de courant, donc nous pouvons ‘ t avoir un flux dénergie. Un flux dénergie est appelé puissance, et comme nous le savons, \ $ P = IE \ $. Si \ $ I = 0 \ $, alors il ne peut y avoir de flux dénergie. Donc peut-être quils ne portent que la moitié du même nom 🙂
• Cest vrai. Attention, en AC, ils se tortillent et enfoncent ‘ t vraiment circuler en soi.
• Q = 8.5 × 10 ^ 22 Elektrons / cm ^ 3 est le total nombre délectrons par volume de Cu. Seule une fraction de ces électrons sont des électrons libres qui participent à la conduction ( en.wikipedia.org/wiki/Free_electron_model ). Cette formule est donc faux.
• @Curd votre numéro est faux, où lavez-vous obtenu? >  » Q = 8.5 × 10 ^ 22 Elektrons / cm ^ 3 est le total nombre délectrons par volume de Cu.  » Non, le nombre total délectrons / cm ^ 3 pour le cuivre est de 2,46×10 ^ 24. Par conséquent, si chaque atome apporte un seul électron mobile à la mer délectrons du métal ‘, alors la densité délectrons libres = 2,46e24 / N, où N = 29 pour le cuivre. Leur équation ci-dessus est correcte. Voir ce même calcul dans Halliday / Resnick Physics, ou wikipedia, Drift_velocity
• @wbeaty: yup, vous avez raison (je ne ‘ t avoir Halliday mais) jai recalculé et jobtiens environ rho / Mm * Na * 29 = 2,44E24 en nombre total délectrons par cm ^ 3 (densité rho, masse molaire Mm, Na = AVogadro ‘ s numéro). Je ‘ ne me souviens pas de mon calcul dil y a 2 ans …

Ne confondez pas labstraction commode avec la réalité physique

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

Une note sur les chemins « fermés »

Les circuits à chemin fermé nimpliquent pas le retour des électrons vers la source. De plus, les électrons qui quittent la source sont extrêmement rarement les mêmes électrons qui retournent à lautre pôle de la source (voir la réponse de @madmanguruman pour lexplication de la vitesse).

Analogies mécaniques

Cest comme des dominos qui tombent. Londe dénergie se propage à travers les dominos qui tombent, mais les dominos ne se traduisent pas beaucoup.

Noubliez pas que lénergie est la charge de lélectron 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 image:

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

Lectures complémentaires

Vous pourriez considérer ceci réponse que jai donnée à une question de physique similaire.

Commentaires

• Heh, les circuits sont des macro-objets communs, tandis que les électrons sont des bêtes théoriques avec fort comportement QM. Mais je suis daccord: nous pouvons éliminer beaucoup dabstraction en utilisant des circuits construits à partir de sable chargé à travers des tuyaux, ou des billes métalliques chargées sur une roue en plastique rotative. Dans tous les cas, la dérive de charge (courant) est requise dans n’importe quel circuit. Analogie: avec une courroie dentraînement mécanique, utilisez une force / tension de plus en plus élevée à une vitesse inférieure, jusquà ce que la courroie se déplace à des mètres / h tout en transférant des kilowatts. Il suffit semble que la force soit plus importante que le mouvement. Arrêtez la ceinture de ralentissement, et lénergie sarrête aussi.

Nous parlons ici de métaux. En règle générale, un objet métallique nest pas constitué de molécules. Il se compose datomes métalliques, tous regroupés. Ceci est illustré dans limage 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.

Maintenant, lorsquun courant commence à circuler, ces électrons se déplacent effectivement. Lorsquun courant circule, lénergie est transférée. Puisque les atomes ne peuvent pas se déplacer facilement, les électrons doivent se déplacer.

Vous pouvez également le voir dans lunité Ampère de courant: 1 ampère équivaut à 1 Coulomb par seconde. Le Coulomb (C) est le 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.

Quand nous « re en parlant de courant continu (application normale alimentée par batterie, par exemple), ces électrons ne retourneront pas à leur source. Considérez ce circuit:

Au début, il ya « une différence de charge entre le négatif et le positif pôle: le pôle négatif a un surplus délectrons, ce qui crée une force (tension), et comme il y a un lien entre les deux pôles (le fil et lampoule), les électrons commencent à circuler. Les électrons se déplacent du pôle négatif à travers lampoule vers le pôle positif, jusquà ce quil ny ait plus de différence de charge (ou cest si peu quil ne fera pas circuler un courant).

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

Nous appelons cela un chemin fermé parce que là  » cercle sa: 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 dune batterie et une résistance à la place dune ampoule):

Le courant circule du côté droit du condensateur (chargé négativement, surplus délectrons ) à travers la résistance vers le côté gauche du condensateur (chargé positivement, pénurie délectrons). Ici, les plaques du condensateur sont séparées, de sorte que vous pouvez facilement voir quil ne sagit pas dun chemin fermé.

Nous lappelons juste un chemin fermé, car le courant commence et se termine au condensateur.

Puisque les électrons nont pas vraiment à retourner à leur base, vous pouvez maintenant comprendre que les électrons peuvent également couler dans la terre. Cest aussi ce qui se passe avec la foudre. Les électrons circulent des nuages vers la terre (ou linverse, je ne sais pas), juste pour neutraliser la différence de charge.

Commentaires

• Concernant la foudre: les deux directions.  » En moyenne dans le monde, les éclairs négatifs représentent la grande majorité, environ 90% de tous les coups. … Soit dit en passant, les coups de foudre positifs sont considérés comme les plus dangereux, car ils peuvent produire des courants très importants, jusquà 300 000 ampères!  » ( source )
• Jaime votre énergie @Camil (jeu de mots), mais vous devez être conscient quil existe un certain nombre dinexactitudes subtiles avec cette réponse. La confusion nest pas quune batterie a deux pôles, la confusion est que les circuits ne décrivent pas le mouvement de nimporte quel électron – ils décrivent le comportement global et le transfert dénergie … votre réponse continue de faire les mêmes hypothèses confuses qui ont conduit le PO à poser la question. Soit discuter dans labstrait, auquel cas le courant doit retourner à la source – ou – discuter du physique avec des électrons et de leur attitude toute-équipotentielle-surface-fera.
• p.s. – Je nai pas voté. Juste pour information au cas où quelquun dautre le ferait. –  » pas moi! « 😉
• Il serait également intéressant de souligner que même si les électrons ne voyagent pas grâce aux piles, le courant le fait. Cest pourquoi une batterie doit avoir un électrolyte, et cela fonctionne précisément parce que les électrons peuvent ‘ t traverser, mais les ions positifs le peuvent. Les ions positifs, voyageant dans la direction opposée des électrons, empêchent les électrons se déplaçant à travers le circuit de créer un équilibre jusquà ce que lénergie chimique soit épuisée. Bien que les ions et les électrons se déplacent dans des directions opposées, ils ont des charges opposées et forment ensemble un circuit complet de courant dans une direction.
• @CamilStaps un électron individuel prendra un chemin aléatoire partout où il le peut. La majeure partie de ce mouvement est probablement attribuable au bruit thermique, et non à la machine électrique dont il fait partie. Ce nest que si vous prenez le mouvement moyen de plusieurs (plus de milliards) délectrons que vous remarquerez quils se déplacent dans une direction plus que dans une autre. Et les circuits ne ‘ t décrivent le flux délectrons: ils décrivent le flux de courant.