Vitesse de l'électricité

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Le terme « vitesse de l’électricité » recouvre dans la pratique deux phénomènes :

  1. la vitesse du signal électrique ;
  2. la vitesse des charges électriques.

La vitesse du signal électrique correspond à la vitesse de mise en marche des électrons (ou porteurs de charge). Pour illustrer cette différence, prenons l’image d’une file d'automobiles arrêtées à un feu rouge. Lorsque le feu passe au vert, la première voiture démarre puis, une seconde après, la deuxième voiture démarre, encore une seconde et c'est la troisième qui bouge… Si on estime qu’il y a une voiture tous les 4 mètres, l’information se déplace à une vitesse de m/s. Dans cette analogie, la vitesse des charges correspond à la vitesse de déplacement des voitures qui démarrent, qui est seulement d'environ 1 km/h, soit 0,28 m/s.

Vitesse du signal électrique[modifier | modifier le code]

La vitesse à laquelle se déplace le signal électrique, donc l'énergie électrique, correspond en réalité à la vitesse de propagation d'une onde électromagnétique, et non pas à la vitesse de déplacement des charges électriques.
La propagation de cette onde est très rapide et dépend de la permittivité (ou constante diélectrique) du matériau. Dans le vide, elle se propage à la vitesse de la lumière. Dans l'eau[note 1] elle est d'environ 226 000 km/s (courant électrique dans une solution saline), et de 273 000 km/s dans le cuivre[note 1] (courant électrique dans un fil).

Lorsqu'il est relié à un générateur, un circuit électrique est soumis à une tension électrique qui met en mouvement les charges électriques : par exemple dans une pile, les électrons sont consommés à la cathode où se produit une réaction de réduction, tandis qu'à l'anode se produit une réaction d'oxydation qui va fournir les électrons.
L'onde électrique ainsi créée se propage à l'appareil alimenté. Ainsi, dans le cas d'une lampe électrique à incandescence reliée à un interrupteur par un fil de cuivre de 10 m, l'ampoule est soumise à une tension électrique non nulle 3,66·10-8 secondes après la fermeture de l'interrupteur (environ 40 ns ou encore quatre centièmes de millionième de seconde), provoquant un courant électrique dans le filament qui après échauffement (Effet Joule) émet de la lumière et de la chaleur.

La vitesse exacte dépend des caractéristiques géométriques du circuit. On peut dire que le courant atteint sa vitesse de croisière quasi instantanément et n'accélère plus ensuite.

Vitesse de déplacement des charges[modifier | modifier le code]

La vitesse de déplacement moyenne des charges[note 2] due à la différence de potentiel appliquée est beaucoup plus lente, quelques centimètres par heure dans un fil de cuivre. Contrairement à la vitesse de l'information, elle varie avec l'intensité du courant dans un circuit donné. Ainsi, lorsqu’on allume la lumière, un flot d'électrons sort du générateur, suit le fil, passe par l’interrupteur, par l’ampoule et finit par retourner au générateur (aussi faut-il qu'on laisse allumé assez longtemps).

Pour estimer cette vitesse de déplacement des charges électriques dans un fil, on peut utiliser une mesure de l'intensité du courant "I" dans le fil, ce qui est une mesure du débit de charges électriques. Prenons un fil de section 1 mm2 (10-6 m2) traversé par un courant de 0,1 A, ce qui correspond par définition à 0,1 C/s. Comme chaque électron porte une charge de 1,6·10-19 C, ceci correspond à un nombre de 6,2·1017 électrons qui traversent la section du fil chaque seconde. En supposant que chaque atome libère un électron libre, le volume d'un atome étant de 2·10-29 m3, le volume occupé par ces électrons est de 1,2·10-11 m3. Il faut donc une vitesse moyenne de 1,2·10-5 m/s aux électrons, soit 4 cm/h, pour qu'ils puissent passer à travers la section du fil en une seconde. Si l'intensité du courant passe à 1 A, le nombre d'électrons en circulation reste sensiblement le même mais leur vitesse devient environ 40 cm/h.

En fait, le courant domestique étant alternatif (50 ou 60 Hz selon les pays), les électrons font des aller-retour 50 ou 60 fois par seconde et ne se déplacent quasiment pas.

Les électrons sont les maillons d’une chaîne reliant la centrale électrique et l’ampoule des deux côtés ; quand on tire une charge avec une chaîne, le maillon qui la maintient ne rencontre jamais la charge, d'autant plus si on inverse régulièrement le sens de traction.

Par contre lorsqu'un courant continu traverse un tube électronique, dans lequel règne le vide, c'est bien un flux d'électrons qui passe d'une électrode à l'autre à une vitesse de l'ordre de 15 kilomètres par seconde, déterminée par l'énergie des électrons. L'onde de différence de potentiel, qui met les électrons en mouvement, se déplace quant à elle à une vitesse très proche de celle de la lumière.

Si l'on a l'impression d'instantanéité, par exemple entre l'instant où nous manœuvrons un interrupteur et l'instant où la lumière jaillit d'une ampoule électrique, c'est parce que le fil électrique est plein d'électrons. En appuyant sur l'interrupteur, une onde électrique s'établit dans tout le circuit à une vitesse proche de celle de la lumière dans le vide, provoquée par la mise en mouvement des électrons dans le fil. Tous les électrons « démarrent » partout dans le fil en un temps très bref. À l'instant où le filament se met à briller, les électrons qui l'échauffent ne sont pas ceux qui sont passés dans l'interrupteur juste au moment où nous l'avons actionné. Ces derniers arriveront des heures plus tard.

Analogie avec l'eau[modifier | modifier le code]

Lorsqu'on ouvre le robinet d'un tuyau d'arrosage, si le tuyau est plein d'eau, l'eau sort presque instantanément à l’autre extrémité du tuyau, même s'il est long. Mais l'eau qui sort est celle qui était « en attente » juste avant l'extrémité du tuyau, pas celle qui sort du robinet et qui arrivera plus tard. C'est une onde de pression (se déplaçant à environ 1000 m/s) qui met l'eau en mouvement dans le tuyau.

Une autre image est une vague dans la mer : elle se propage et fait bouger des surfeurs. Par contre l'eau bouge surtout verticalement et très peu horizontalement. Il suffit de poser une bouée sur une série de vagues. S'il n'y a pas de vent la bouée oscillera, mais ne se déplacera pas. De même les électrons ne bougent que très peu.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a et b L'eau a un indice de réfraction de 1,33 et le cuivre de 1,1.
  2. Les électrons libres possèdent également une vitesse correspondant à leur énergie thermique, sans direction privilégiée.

Liens externes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Jean-Marc Lévy-Leblond, André Butoli, La physique en question, Vuibert,‎ 1983 (ISBN 2-7117-4188-5)