Lien entre électrostatique et électrocinétique

[invite04e91a02]

Bonjour à la communauté de ce forum,

Ayant parcouru récemment quelques pages sur le net relatives aux sciences, je me suis laissé aller à me replonger dans quelques notions d'électro-magnétisme et mal m'en a pris car j'ai désormais en tête plus de questions que de réponses !!! j'ai certes fait quelques études scientifiques il y a maintenant assez longtemps de cela mais j'en conclue que bien souvent les professeurs nous ont à l'époque surtout abreuvés de formules mathématiques censées modéliser les phénomènes en oubliant pour le coup de nous expliquer les mécanismes desdits phénomènes (mais j'ai l'impression que cela est un mal de l'enseignement français, les anglo-saxons sont bien souvent plus "expérimentaux" que nous autres disciples de Descartes)... J'espère qu'il se trouvera dans ce forum quelques bonnes âmes pour m'éclairer sur les questions qui suivent, sans doute plus déroutantes les unes que les autres pour les érudits qui voudront bien s'y pencher...
Merci d'avance pour les réponses à venir !

Mes questions portent ici sur les phénomènes électrostatiques, électrocinétiques et la liaison qu'on peut faire entre ces 2 mondes d'étude, transition jamais véritablement abordée dans les ouvrages (en tout cas pas vu), le tout sur un sujet d'étude ultra-simple et que tous nous avons un jour ou l'autre abordé quel que soit le niveau d'études suivi : un circuit électrique tout ce qu'il y a de plus banal constitué d'un générateur de tension continue auquel on va relier des fils conducteurs.

A. Aspects électrostatiques

imaginons donc un générateur de tension continue avec à proximité (qqs cm disons) un fil conducteur "parfait" pour le moment non connecté à aucune des bornes dudit générateur

A1. Le générateur a je crois avoir compris, un déficit d'électrons à la borne + et un excès à la borne - => ce déséquilibre de charges produit alors un champ électrostatique dans tout l'espace environnant, est-ce exact ? Dans ce cas je m'interroge sur quel est le profil de ce champ vectoriel en terme de direction et intensité (norme) car je suppose que cela est beaucoup moins simple que le cas basique de la charge isolée qu'on trouve dans tous les ouvrages ?

A2. La littérature scientifique explique par ailleurs que dans un conducteur "parfait" baigné dans un champ, un état d'équilibre se constitue au niveau des charges libres (e- de conduction ?) i.e. les charges vont s'"arranger d'elles-mêmes" de sorte de toutes se retrouver immobiles ce qui équivaut à dire que chacune prise indépendamment subit un champ global nul; de plus il semble qu'elles vont toutes se retrouver à la surface du conducteur, le fameux théorème de Gauss montrant que la densité volumique interne de charges (total algébrique sommant les charges + et les charges -) ne peut qu'être nul. OK avec tout çà sauf que champ global nul implique que [champ interne créé par l'ensemble des charges interne au conducteur] = [le strict opposé du champ externe i.e. celui imposé par le générateur] or, comme un champ est proportionnel à la quantité de charge sources, qu'est ce qui nous prouve que l'on aura toujours suffisamment de charges internes au conducteur afin de juste compenser le champ externe ? que se passe-t-il si tel n'est pas le cas ce qui statistiquement doit être quasi 100% des cas ?

A3. Imaginons maintenant que l'on connecte l'une des extrémités de notre fil conducteur à la borne + du géné -> que se passe-t-il du point de vue des charges juste à la sortie de la borne + du géné et pour les charges libres à l'intérieur du conducteur ? comment se ré-arrangent-elles ? quid du nouveau profil du champ électrique dans le conducteur ?


B. Aspects electrocinétiques

supposons maintenant, qu'ayant adjoint au circuit un interrupteur (initialement ouvert) ainsi qu'un récepteur élémentaire de type résistance pure et les 2 autres bouts de fils conducteurs nécessaires, on referme le circuit sur le générateur en fermant l'interrupteur

B1. Y a t -il alors un champ électrique à l'intérieur des conducteurs et de la résistance ?

B2. ce champ est-il bien le E de la fameuse relation j=<sigma>E qu'on peut lire partout et où on nous explique que E est dirigé dans le sens longitudinal du conducteur ?

B3. Ce champ E est-il celui créé par le générateur ? mais alors pourquoi diable serait-il dirigé dans le sens du conducteur particulièrement là où on pourrait l'imaginer isotrope comme issu d'un groupement de charges ponctuelles ?

B4. si le champ qui règne dans le conducteur est celui produit par le géné, s'il décroit en 1/r2 alors cela signifie que les charges plus éloignées du géné dans le fil conducteur vont être s plus fort puisqu'on a F=ma=qE ? comment dans ce cas imaginer un courant constant dans le circuit ?
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[invite7ce6aa19]

Bonjour à la communauté de ce forum,

Ayant parcouru récemment quelques pages sur le net relatives aux sciences, je me suis laissé aller à me replonger dans quelques notions d'électro-magnétisme et mal m'en a pris car j'ai désormais en tête plus de questions que de réponses !!! j'ai certes fait quelques études scientifiques il y a maintenant assez longtemps de cela mais j'en conclue que bien souvent les professeurs nous ont à l'époque surtout abreuvés de formules mathématiques censées modéliser les phénomènes en oubliant pour le coup de nous expliquer les mécanismes desdits phénomènes (mais j'ai l'impression que cela est un mal de l'enseignement français, les anglo-saxons sont bien souvent plus "expérimentaux" que nous autres disciples de Descartes)... J'espère qu'il se trouvera dans ce forum quelques bonnes âmes pour m'éclairer sur les questions qui suivent, sans doute plus déroutantes les unes que les autres pour les érudits qui voudront bien s'y pencher...
Merci d'avance pour les réponses à venir !

Bonjour,

C'est une excellente critique de l'enseignement et mauvaise nouvelle cela ne s'est pas arrangé avec le temps.

A. Aspects électrostatiques

imaginons donc un générateur de tension continue avec à proximité (qqs cm disons) un fil conducteur "parfait" pour le moment non connecté à aucune des bornes dudit générateur

A1. Le générateur a je crois avoir compris, un déficit d'électrons à la borne + et un excès à la borne - => ce déséquilibre de charges produit alors un champ électrostatique dans tout l'espace environnant, est-ce exact ? Dans ce cas je m'interroge sur quel est le profil de ce champ vectoriel en terme de direction et intensité (norme) car je suppose que cela est beaucoup moins simple que le cas basique de la charge isolée qu'on trouve dans tous les ouvrages ?

Je repond pour l'instant a cette seule question:

Le probleme n'est pas un exces d'electrons d'un coté et un défaut de l'autre. Le mieux est de faire une analogie: Une pierre tombe de haut en bas parceque l'energie potentielle est plus elevée en haut qu en bas. Pour les electrons c'est la même idée les electrons " tombent" de l'energie potentielle haut vers l'energie potentielle bas.

Toutefois une difference une pierre tombe et accelere: son energie potentielle se transforme en energie cinétique.Pour ameliorer l'analogie on prend une pierre qui tombe dans un liquide. La difference est que l'energie potentielle est transformée en chaleur du liquide. Pour l'electricité c'est la meme chose: l'energie potentielle des electrons est transformée en chaleur du matériau: c'est l'effet Joule.

[invite6dffde4c]

Bonjour.
Il y a long si on veut expliquer point par point.
A1) Comme Mariposa l'a dit, il n'y a pas de déséquilibre des charges dans le métal de la borne plus ou moins de la source (prenons une pile de 1,5 V). Le seul endroit où on pourrait parler de déséquilibre est à la surface du métal, sur une épaisseur bien plus faible que celle d'un atome. Et ce déséquilibre est très, très petit. Pour des champs électriques usuels, il s'agit d'un électron en plus ou en moins sur un million d'atomes de surface.
A2) Voir A1. On peut augmenter le champ crée à la surface d'un métal. Mais avant que le champ pénètre dans le métal, il sera tellement grand que des électrons seront arrachés du métal négatif.
Donc, on ne peut pas le faire dans des métaux. Mais on peut le faire dans des semi-conducteurs où la densité d'électrons de conduction (je ne mentionne pas les "trous") peut être des millions de fois plus faible que dans les métaux. Cette pénétration du champ est utilisée dans les transistors "à effet de champ" (FETs) qui portent bien leur nom.
A3) si le fil en question n'est branché à rien d'autre, à mesure qu'il se rapproche du pole (+ par exemple), le champ augmentera et aussi le nombre de charges de surface. Mais chaque charge à la surface du conducteur aura son équivalent de signe opposé sur le pole de la pile. Au moment du contact les charges en excès passeront du côté où elles sont en manque et se compenseront. Ce passage correspond à un courant et à une dissipation d'énergie. (Celle du condensateur chargé).

La suite plus tard.
Au revoir.

[invite6dffde4c]

Re.
B1) Regardons un peu le processus de conduction. Dans un solide, les atomes sont toujours en vibration (=agitation thermique) et les électrons libres aussi. Ces électrons passent leur temps à faire des collisions avec les atomes du conducteur. À chaque collision il ya transfert d'énergie cinétique mais en moyenne le transfert entre électrons et atomes est nul: les électrons sont en équilibre thermique avec les atomes.
Quand on applique un champ électrique dans le conducteur, les électrons subissent une force qE entre les chocs. Ceci leur donne une vitesse moyenne non nulle dans la direction de la force ce qui correspond à une augmentation de leur énergie cinétique. Au choc suivant, ils cèdent (en moyenne) cet excès d'énergie aux atomes et les chauffent (c'est l'effet Joule: les résistances chauffent).
Il faut voir que cette augmentation de vitesse moyenne est ridiculement petite comparée à la vitesse "thermique" des électrons. Cette dernière se situe dans les km/s et la vitesse moyenne due à la conduction du courant dans le cuivre est de l'ordre des dizaines de µm/s pour des courants usuels.

Dans les bons conducteurs, la densité d'électrons est grande et leur vitesse moyenne est très faible et l'énergie qu'ils communiquent aux atomes est aussi faible: leur résistance est faible.
Dans un mauvais conducteur (comme celui utilisé pour faire les résistances) la densité électronique est faible et pour obtenir le même courant il faut leur donner plus de vitesse moyenne. Ça chauffe.
Mais dans les deux cas, il faut un champ électrique pour donner une vitesse moyenne aux électrons. Un petit pour les bons conducteurs et un grand pour les mauvais conducteurs.
B2) En fait E est dirigé dans le sens du conducteur seulement dans le cas ou le conducteur est long et étroit. Dans les autres cas "ça dépend".
B3) Si le conducteur est un fil en zigzag, le champ électrique sera aussi en zigzag. Et si le fil fait un nœud, le champ électrique fera lui aussi un nœud.
B4) le champ électrique ne décroit en 1/r² que dans un cas: une charge (ou des charges groupées) isolée dans le vide intergalactique. Entre deux plaques plates, le champ ne décroit simplement pas.
On peut trouver un arrangement pour que le champ diminue en 1/r² dans un conducteur en forçant une symétrie sphérique. Mais c'est un peu tiré par les cheveux.

(Oui. J'ai beaucoup simplifié. Mais vu le contexte, c'est justifié).
A+

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