Résistance et électrons approche mécanique

[soif2savoir]

Bonjour,
je pose une question qui a déjà été formulé dans certaines discussions précédentes mais je n'ai pas parfaitement compris les réponses. J'explique ce que je comprends ou ce que je crois pour que vous puissiez m'aider à clarifier tout ça. Je m'excuse dès maintenant si je pars trop dans tous les sens lors de mes explications.

Je sais que le courant électrique est constant dans un circuit en série. Ce qui veut dire que les électrons ont la même vitesse en tout point du circuit.
Cette vitesse est constante donc selon la 2nde loi de Newton, les forces appliquées à l'électrons s'annulent. Il y a une force électrique (F=qE) car il y a un champ grâce au générateur et des frottements visqueux (qui s'opposent aux mouvement) dus aux chocs des électrons libres avec la matières dans les fils ou dans une résistance.

Comment expliquer que tous les électrons ressentent les même frottements visqueux quelque soit leur positions dans le circuit?

Est-ce que le champs électrique dans le circuit est constant ?

Pourquoi n'y a-t-il pas d'accumulation des électrons après la résistance? Je sais bien que ce n'est pas le cas si on mesure l'intensité avec un ampèremètre elle est identique avant et après.

Y-a-t'il un régime transitoire lors de la mise sous tension ? C'est à dire un moment où tous les électrons ne bougent pas à la même vitesse ?

Et une dernière chose, en électrocinétique, on peut lire parfois que le "fluide" électrique est incompressible à la manière de l'eau dans des canalisations.
Est-ce que cette caractéristique est due aux fait que les électrons se repoussent à cause de la force électrostatique ?

Merci d'avance.
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[LPFR]

Bonjour.
Je ne sais pas quelles sont vos sources, mais je ne les trouve pas très sérieuses.

Les électrons n'ont pas tous la même vitesse de déplacement moyen le long d'un circuit. Ce qui est constant (en moyenne) et le nombre d'électrons qui passent par seconde. C'est comme une route formée des endroits dans lesquels on peut rouler vite et d'autre plus lentement. En moyenne le nombre de voiture par heure est le même tout le long. Mais pas leur vitesse.

L'interaction des électrons avec le solide est un peu plus compliquée de la 2ème loi de Newton.
Aussi bien les électrons libres (de conduction) que les atomes du solide s'agitent en raison de leur température. Il y a des chocs en permanence entre les électrons et les atomes dans lesquels ils se transmettent de l'énergie (en moyenne cette transmission est nulle). Mais la vitesse thermique des électrons est de l'ordre du km/s. Même si cela ne leur fait avancer d'un poil en moyenne. Ils s'agitent sur place.
Quand les électrons sont soumis à un champ électrique, entre deux chocs, ils acquièrent une énergie et vitesse supplémentaires fournie par le champ. Au prochain choc, ils transmettent cet excès à l'atome qui va s'agiter plus fort. Le solide chauffe. C'est l'effet Joule. Mais la vitesse moyenne supplémentaire que l'électron acquiert est de l'ordre de 0,01 mm/s.
Et c'est le rapport entre la tension appliquée sur le conducteur et le courant (qui dépend du nombre et de la vitesse moyenne supplémentaire) qui donne la résistance du conducteur.

Donc, il n'y a pas de "frottement visqueux". C'est un raccourci idiot qui n'emmène que de la confusion.

Pour ce qui est de l'établissement du courant, je vous conseille d'attendre d'avoir compris les bases avant de vous attaquer à ça. Pour un petit circuit, et à votre échelle humaine, vous pouvez considérer que la mise en vitesse est simultané et instantanée.
Au revoir.

[soif2savoir]

Merci pour la réponse. Pour ce qui est du raccourci idiot, c'était un exercice que j'ai rencontré dans un livre de physique.
Pour ce qui est des sources, elles sont variées (internet, livres niveaux collège...) et je n'ai pas réussi à faire le tri. Ce qui explique que ce n'est pas carré et sûrement physiquement incorrect à plusieurs niveaux. Mais je souhaiterai avoir une meilleure compréhension du phénomène donc je vais persister dans mes idioties. Je vais juste diminuer le nombre de question par post pour que ce soit plus simple.

Alors vous me disiez que c'était le débit des électrons qui étaient constant (soit le courant) et non pas la vitesse des électrons. OK j'ai compris la nuances. Mais qu'est-ce qui justifie les vitesses différentes dans les portions de circuit ?

[soif2savoir]

J'ai relu votre réponse et je ne comprends pas l'analogie avec les voitures. Si je considère une route remplie de voitures (par chocs contre par chocs mais en mouvement) et que je me place sur le coté de la route en différents endroits et que je compte les voitures qui passent, je devrais compter plus de voitures par seconde sur les portions de routes types voies rapides que sur les routes de montagnes, non?

Si je veux que le débit reste constant, il me faudrait que le nombres de voitures roulant sur les routes de montagne augmentent vu que la vitesse diminue.

alerte idiotie !

[A voir en vidéo sur Futura]

[stefjm]

Donc, il n'y a pas de "frottement visqueux". C'est un raccourci idiot qui n'emmène que de la confusion.

Il y en a un pour certaine définition du frottement visqueux (effort proportionnel à la grandeur cinétique) pour les grandeurs macroscopiques du circuit. (Tension, courant)
Et effectivement pas sur l'électron.

[Nicophil]

Alors vous me disiez que c'était le débit des électrons qui était constant (soit le courant) et non pas la vitesse des électrons. OK j'ai compris la nuances. Mais qu'est-ce qui justifie les vitesses différentes dans les portions de circuit ?

Le courant (en C/s) est constant.
Ensuite, comme la densité linéique de charge de conduction (en C/m) varie selon les conducteurs, leur vitesse de dérive (en m/s) doit varier inversement proportionnellement. Ainsi le produit (en C/m * m/s) reste constant.

J'ai relu votre réponse et je ne comprends pas l'analogie avec les voitures.

Ce n'est pas routes plates/de montagnes mais tronçons à 2 voies/à 3 voies :
Soit un débit max de 5040 voitures par heure sur une route à 2 voies, correspondant à 40 voitures par km qui vont toutes à 126 km/h.
En amont de ce tronçon à 2 voies, il y a un tronçon à 3 voies, donc la densité peut augmenter à 40 * 3/2 = 60 voitures par km.

Mais comme le débit est limité à 5040 plus loin sur le tronçon à 2 voies, rien ne sert que les voitures aillent former un bouchon au niveau du rétrécissement.
Donc il est sage de réguler la vitesse sur ce tronçon à 3 voies à 126 * 2/3 = 84 km/h.

[soif2savoir]

Merci de vos réponses rapides !

Alors j'ai compris l'idée que le débit de charge constant et les caractéristiques des conducteurs (densité linéique de charge élevée = conducteur et faible = isolant) mis en jeu, implique des zones avec plus d'électrons en mouvement (globale vers la cathode) mais avec une vitesse plus faible et des zones avec moins d'électrons se déplaçant dans la bonne direction mais à plus grande vitesse (même si ce sont toujours de très faible vitesse 0,01mm.s-1 comme le disait LPFR).

Mais Nicophil qu'est-ce qui justifie la sagesse des électrons régulant leur vitesse afin de ne pas créer de bouchons (accumulation de charges) ?

J'imagine une réponse à ma propre question. Est-ce une répulsion des électrons entre-eux qui permet d'éviter ses bouchons? Ils s'influenceraient les uns les autres afin de réguler le flux. Le générateur génère une ddp qui poussent les électrons par le biais de la force électrique dans un sens puis le chocs des électrons avec les atomes les ralentis (en produisant l'effet Joule au passage)....et les électrons entre-eux? (je m'arrête car je vais m'emballer).

J'ai quelques questions qui découlent de ma proposition suivante mais je vais attendre

[soif2savoir]

Est-ce que j'ai dit une bétise?

[LPFR]

Est-ce que j'ai dit une bétise?

Bonjour.
Non. Vous avez trouvé presque la bonne explication.
Dans un corps quelconque, il y a presque le même nombre de charges positives (protons) que de charges négatives (électrons). Le moindre déséquilibre crée des champs électriques gigantesques qui attireraient ou repousseraient des électrons pour compenser le déséquilibre.

Pour vous donner une idée, si vous aviez un déséquilibre de charges de 1% et que vous vous trouviez à 1 m d'une autre personne avec un déséquilibre similaire, la force électrostatique entre vous deux serait de l'ordre de grandeur du poids de la Terre.
Dans un conducteur (ou dans un isolant), la densité d'électrons est la même que celle des protons à un picochouia près.
Au revoir.

[soif2savoir]

Merci LPFR !

Est-ce que vous pourriez m'éclaire sur le "presque"?

J'ai d'ailleurs une difficulté à me représenter les zones du circuit avec beaucoup d'électrons "lents" et les zones avec peu d'électrons mais "rapides".

Voilà mon problème :
- Si ce sont des conducteurs, il y a une forte densité de charges linéïque autrement dit beaucoup d'électrons libres disponibles par unité de longueur. Dans ce conducteur, les électrons devraient pouvoir se mouvoir rapidement car c'est conducteur.
- Si c'est une résistance, il y a moins d'électrons libres et/ou alors ils sont plus dur à mettre en mouvement. Je devrais avoir donc moins d'électrons allant moins vite.

La seule possibilité que vois reprend ce que vous m'avez dit sur les forces électrostatiques entre électrons. Dans un fil de cuivre de nombreux électrons se déplacent (car c'est un bon conducteur), ces électrons (A) devraient se déplacer très vite si il n'y avait qu'un fil (comme lors d'un court-circuit) mais la présence de la résistance change la donne. Tous les électrons sont ralentis tout le long en amont de la résistance (car la force électrostatique agit de proche en proche sur chacun d'eux) Ils sont donc nombreux mais relativement lents. Cette grande quantité d'électrons exerce une force électrostatique importante sur moins d'électrons (B) disponibles dans la résistance. Ils sont donc accélérés.

Je sens qu'il y a quelque chose qui cloche dans mon raisonnement. Pour que les électrons A soient ralentis, il faut qu'il y ait une difficulté des électrons B à traverser la résistance. Il y a pleins d'électrons A qui poussent, ce qui donne justement l'accélération aux électrons B par la suite ... L'image que j'ai est celle d'une conduite d'eau, on réduit le diamètre du tuyau pour représenter la résistance, ce qui implique que l'eau accélère lors de ce rétrécissement pour garder le débit constant (comme pour l'effet venturi).

Ce qui jouerait le rôle de pression pour l'eau, serait la force électrostatique pour les électrons dans le circuit.

Merci d'avance pour vos réponses et votre temps.

[soif2savoir]

La résistance ralentirait le débit général des électrons dans le circuit (vis-à-vis d'un circuit sans cette résistance) mais les électrons eux-même seraient plus rapides dans la résistance tout en étant moins nombreux.

Cela me dérange parce que j'ai toujours cette image de résistance qui "frotte" (à force de chocs sur les atomes) et ralentit les électrons lorsqu'il la traverse en créant l'échauffement du matériau.

[LPFR]

Re.
Si vous voulez comprendre le "presque", regardez ce que vous avez dit et ce que j'ai dit. Vous parlez de répulsion entre électrons. Je parle d'équilibre de charges.

Les électrons ont des vitesses de l'ordre de 1 km/s. En absence de courant la laveur moyenne de cette vitesse est zéro.
Avec un courant, leur vitesse moyenne est de l'ordre de 0,01 mm/s ou moins.

Vous continuez à parler de "ralentissement des électrons" ou des "chocs qui ralentissent les électrons". C'est à dire que vous ignorez le processus physique avec des électrons à 1 km/s, et les regardez comme si c'étaient des électrons dont leur seule vitesse est celle due au courant. C'est faux. Les chocs ne ralentissent pas les électrons qui gardent leur vitesse de 1 km/s presque intacte (à 0,01 mm/s près). Et la nature de ces chocs est statistique. Il y a des chocs dans lesquels les électrons perdent de leur vitesse (et énergie) et la transmettent aux atomes, et des chocs où l'inverse se produit.

Si ma description vous semble trop compliquée pour votre goût, tant pis. Je ne vais vous dire que la votre est bonne.

Si vous n'arrivez pas à concevoir que vous avez le même courant avec des conducteurs avec une densité faible d'électrons mobiles et un autre en série avec un densité forte, ou avec des conducteurs de diamètre différent, je n'y peux rien. On vous a donné des parallèles. Moi je vous donne celui des routes et vous le bousillez et mettant les voitures pare-choc contre pare-choc. Ça vous arrive souvent de voir des voitures qui roulent pare-choc contre pare-choc ? C'est pour cela que je ne vous ai pas répondu. Cela m'a refroidi.
A+

[soif2savoir]

Excusez moi de vous avoir refroidi avec les voitures par-chocs contre par-chocs. D'ailleurs je me suis rendu compte que cela n'était pas logique de le voir comme ça. Je n'ai pas pris le temps de vous le dire. Mais je ne voulais rien bousiller. J'ai simplement décrit ce que je voyais avec votre analogie pour justement vérifier que je la comprenais clairement. Ce qui n'était pas le cas.

"Si ma description vous semble trop compliquée pour votre goût, tant pis. Je ne vais vous dire que la votre est bonne."

Surtout pas, je préfère faire un effort et comprendre ce qui se rapproche le plus de la réalité.

Je vais essayer de reprendre vos explications pour voir ce qui m'avait échapper.

Avez-vous des lectures à me proposer pour me faire une meilleure idée des phénomène mise en jeu ?

[LPFR]

Re.
Malheureusement, je ne connais pas de document qui explique la conduction dans les métaux au niveau "divulgation". Et le problème est qu'il faut comprendre un bon nombre d'aspects de la matière comme les électrons de conduction ou le comportement thermique des atomes et électrons libres.
Je vous dirai que l'on trouve tout dans le Feynman (http://feynmanlectures.caltech.edu/ en anglais), mais étalé (ou saupoudré) sur les trois tomes. Et s'il explique bien l'aspect physique, il fait quand-même des calculs. Ce n'est pas un livre de divulgation. C'est une livre pour comprendre la physique. Mais il faut quand même des bases (les pages précédentes de celle que vous lisez).
A+

[soif2savoir]

Merci pour votre réponse. Je vais essayer de creuser ça de mon coté. Je reviendrais poser des questions plus tard quand j'aurai progresser.
Au revoir.