Energie électrique vue comme des photons ?

[goldo6]

Bonsoir.



A l'école secondaire, on présente l'électricité comme des charges négative qui circulent dans le fil entre 2 potentiels différents.

On a ainsi l'image d'électrons qui «*circulent*» de part en part d'un conducteur.

L'électricité étant un phénomène électromagnétique, et l'énergie des ondes électromagnétiques pouvant être vue comme des photons peut-on faire de même pour électricité ?

Les électrons des atomes présent dans le conducteur feraient des «sauts énergétiques*» en «*recevant*»» (lorsqu'on les excite) des photons.

De même, en se désexcitant, en redescendant de niveau énergétique, ils «*transmettraient*» le photons «*reçu*». Et ainsi de suite.

L'énergie transmise ne serait pas vue comme un déplacement de charge dans l'espace le long du conducteur mais comme des photons échangés par les particules chargées.

Merci.

Bien à vous,
-----

[Pio2001]

Bonjour,
Il y a une différence fondamentale entre l'énergie électromagnétique véhiculée par les photons et celle véhiculée par un courant électrique : la présence de matière et de charges électriques dans le second cas, alors que les ondes EM peuvent très bien se propager dans le vide, en l'absence de charges électriques.

Mais il est exact que le courant se déplace sous l'effet des forces électromagnétiques, et que cette force est véhiculée par des photons. Donc oui, des photons sont échangés par les charges électriques lorsqu'elles se mettent en mouvement.
Cependant, on est dans le cas où le modèle corpusculaire est le moins adpaté, car les fréquences en jeu sont proches de 0 Hertz (courant continu : onde EM de fréquence nulle). L'énergie de chaque photon est donc voisine de zéro, et leur nombre pratiquement infini.

[goldo6]

Si je comprends bien :

- L'énergie électromagnétique véhiculée par les photons peut se propager dans le vide, et pas l'énergie véhiculée par un courant électrique.

- Mais, j'imagine, que - ce qui peut le plus peut le moins - l'énergie électromagnétique des photons peut aussi se propager en présence de matière et de charge.


Toujours, si je comprends bien :

Le fait que le courant soit un phénomène électromagnétique permet de le considérer de deux façons :

- L'énergie est due au champs électromagnétique qui provoque le déplacement physique des charges.

- L'énergie est due aux photons échangés par les particules chargée qui passent d'un niveau énergétique à l'autre (excitation-désexcitation). Mais ce modèle impliquerait des photons d'énergie très faible (la fréquence étant très basse) en quantité énorme (presque infinie).

Quel que soit le modèle choisi les calculs devraient donner les mêmes résultats.

Merci pour votre réponse.

Bien à vous

[coussin]

De quels " niveaux d'énergie " parlez-vous ? La conduction électrique s'effectue par les électrons libres, sorte de "gaz" d'électrons liés à aucun atome en particulier... Quels seraient les "niveaux d'énergie" de ces électrons libres ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[goldo6]

je parlais du niveau d'énergie liée à l'"orbite" d'un électron d'un atome. Énergie qu'il peut céder en émettant un photon.

Je me demandais si les phénomènes de courants électriques pouvaient eux aussi être décrits de la sorte.

En fin de compte, l'effet photo-électrique, c'est le fait qu'un photon ait une énergie suffisante pour arracher un électron.

Dans un courant électrique circulant dans un conducteur (comme celui que nous utilisons dans la vie de tous les jours) la circulation de ces électrons libres comme vous dites peut-elle être vue comme la conséquence de la réception/transmission de photons ?


Merci.

Bien à vous

[coussin]

Eh bien non puisque, comme j'ai tenté de le dire, ces électrons libres n'ont pas de niveaux d'énergie car ils ne sont liés à aucun atome...

[Deedee81]

Salut,

EDIT croisement, mais ça tombe bien, c'est dans la continuité de la remarque de coussin

Pas si trivial comme sujet

Je confirme que dans un réseau cristallin (ce que sont les métaux !) les niveaux d'énergies se ressèrent et forment des bandes qu'on peut qualifier de continues. Les électrons concernés sont dans la bande de conduction. Il n'y a pas de changement discontinu de niveau d'énergie comme on peut le voir d'un atome isolé émettant de la lumière. EDIT ici, les électrons de conductions (pas ceux de valence !) sont délocalisés dans tous le réseau (ce qui ne simplifie pas les raisonnements, la MQ s'en mèle)

L'interaction entre électrons est de nature plutôt électrostatique, pas sous forme d'ondes électromagnétiques (*). Par conséquent les électrons changent peu de niveau d'énergie bien qu'il y a bien un tel changement, mais très progressif. Sous l'influence du potentiel appliqué au conducteur, les niveaux d'énergies (les bandes) prennent une forme inclinée (représentation qu'on voir fréquemment dans le cas de l'étude des semi-conducteurs, mais qui s'applique très bien aussi ici). Les électrons acquièrent une énergie (donnée par e*V, charge fois tension, aux pertes résistives près).

(*) En régime transitoire rapide, c'est un peu différent, il faut alors faire appel à la théorie des lignes et où l'électromagnétisme intervient de manière dirrecte (et très compliquée).
(*) bis. En mode électrostatique, on peut encore parler de photons échangés mais c'est des photons "virtuels", au sens donné par l'électrodynamique quantique (ça aussi c'est très compliqué, pire encore, on n'utilise jamais dans l'étude de la conduction électrique ou des lignes de transmission. Faudrait être un peu cinglé pour essayer )

[coussin]

La conduction électrique se modélise pas trop mal par des modèles balistiques en disant (même si on sait que c'est faux) que les électrons de conduction sont des petites billes qui diffusent dans le conducteur en se cognant de temps en temps sur les atomes du réseau cristalin.
Aucun photons là-dedans

[coussin]

Les modèles plus sophistiqués de la conduction électrique remplace les "petites billes" par des champs afin de prendre en compte des effets plus complexes comme les diffusions récurrentes, interactions avec les phonons, etc...
Mais là encore, aucun photon

[goldo6]

Pourtant, les déplacement de charges ne provoquent-elles pas un champs électromagnétique ?

Et les ondes électromagnétique ne "portent"-elles pas de l'énergie sous une forme de photons ?

Si les électrons sont libres et n'ont pas de niveau d'énergie, le courant électrique ne peut alors pas être vu comme des photons.

Mais, les variations du champs électromagnétique dues au mouvement des charges, peuvent-elles être vues - par ailleurs - comme véhiculant de l'énergie sous forme de photons ?

Si oui, serait-ce une autre énergie que celle du courant électrique, une sorte de radiation à cause de champs électromagnétique ?

Merci pour vos réponses

Bien à vous,

[gwgidaz]

Bonjour,

Vouloir voir des photons partout conduit à ce genre de problèmes. Le courant électrique étant indissociable des champs , il y aurait donc pour le courant continu des photons d'énergie nulle et de nombre infini. On est obligé d'introduire les photons virtuels...
Donc, à mon avis, le mieux c'est d'oublier cette histoire de photons, un jour on s'apercevra que c'était une vue de l'esprit commode pour la lumière, moins commode pour les fréquences basses, et absurde pour la magnéto-statique et l'électrostatique....
Bon...C'est mon opinion...

[Deedee81]

Salut,

Pourtant, les déplacement de charges ne provoquent-elles pas un champs électromagnétique ?

Seulement en mode transitoire, pendant l'accélération. En régime, on a juste un champ statique : le champ magnétique autour de tout câble électrique (ce que tu peux expérimenter très facilement avec un fil, une pile et une boussole. Tout comme l'a fait Faraday en son temps).

Mais en faisant varier le courant et la trajectoire, tu peux produire une onde EM, c'est le principe des antennes.

Ceci dit, attention aux raisonnements trop simplistes. Au niveau du réseau atomique et des électrons, on est dans le monde quantique et les raisonnements utilisant l'électromagnétisme classique peuvent être faux. Voir aussi le conseil de Gwgidaz. Tu as le droit de réfléchir à ces problèmes mais c'est vrai que tu n'as pas choisi la facilité

[goldo6]

J'ai conscience qu'il s'agit d'une représentation qui pourrait n'être qu'une vue de l'esprit.

Raison pour laquelle je demande si théoriquement l'énergie d'un courant électrique circulant au travers d'un conducteur peut être « vue comme » des échanges de photons.

Dans une première réponse j'avais cru comprendre que oui mais que vu la faible fréquence cela impliquerait un modèle où les photons seraient d'énergie infime et en quantité presqu'infinie.

Suite à une autre réponse je comprenais que non car dans un courant électrique, ce sont des électrons libres qui circulent et non des électrons dont on peut considérer qu'ils émettent/reçoivent des photons en changeant d'orbite.

D'où mon autre question : si le courant électrique ne peut être vu comme des échanges de photons mais que les électrons libres en déplacement dans le conducteur créent des variations du champs électromagnétique, peut-on considérer que ce champs transporte de l'énergie ? Si oui, peut-on représenter cela sous forme de photons qui irradieraient de l'énergie ?

Suite à l’intervention de Deedee81, je comprends que j’ai fait une confusion. Ce ne sont que les accélérations des charges qui créent un champ électromagnétique (et non électrostatique). Ce n’est que dans cette mesure, dans les transitions, que l’on pourrait considérer qu’il y a émission de photons.


Il y aurait alors : l'énergie transmise dans le conducteur par la circulation des électrons libres + dans une mesure beaucoup plus marginale l'énergie des photons due aux transitions (accélération des électrons).

Si je comprends bien vos réponses, en résumé, hormis les transitions, le courant électrique n’a rien à voir avec les photons des ondes électromagnétiques : il s’agit de la circulation d’électron libres qui interagissent entre eux.

Je vous mets ci-dessous les extraits d’un ouvrage de physique qui a suscité ces questions, afin que vous compreniez pourquoi je me posais ces questions (« toute la physique sur un timbre-poste » de Vincent Boqueho):


- " Eh bien le raisonnement est bien sûr le même pour la force électrostatique ! Cette fois, les particules messagères émises par les corps chargés s’appellent « les photons » (p.47) ;

Il dit encore

- « ==> La force électrostatique est proportionnelle aux charges des deux corps en interaction, et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.

==> Deux charges de même signe se repoussent, deux charges de signe opposé s’attirent.

==> Les photons, constituants de la lumière et de tous les rayonnements électromagnétiques, sont les particules messagères de cette force. » (p. 56)

Il semble donc dire que la force électrostatique peut être vue comme un échange de photons

Ensuite, il dit :

- « L’émission et l’absorption de la lumière par la matière ne peuvent se faire que sous la forme de « paquets indivisibles », appelés des « quanta de lumière ». Chaque « quantum de lumière » a une énergie E directement proportionnelle à la fréquence n de l’onde, telle que E = hn. L’énergie totale de l’onde, liée à l’amplitude des champs électrique et magnétique, est la somme des énergies de tous les quanta de lumière qu’elle contient.

(…)

Notons qu’Einstein lui-même s’en tenait à la notion de « quantum de lumière » : le mot photon n’est apparu que bien après. À ce stade, le vocabulaire d’Einstein apparaît sans aucun doute plus judicieux, car il évite les mauvaises interprétations sur la nature de la lumière : un « photon » n’a rien d’une bille, c’est simplement une onde électromagnétique dont on ne peut réduire l’énergie !… » (pp. 355-357)


Et enfin :

- « La réalité en physique classique : une notion pas si claire…
Notons qu’en physique classique aussi, le concept de « réalité » n’est pas toujours facile à cerner. Par exemple, « l’onde électromagnétique » que nous manipulions dans les chapitres précédents n’a peut-être pas plus de réalité qu’une « onde de probabilité de présence ».

En effet, le « champ électrique » n’est qu’une vue de l’esprit : c’est « quelque chose susceptible » de mettre en mouvement toute charge placée au point considéré, même si ce point est un endroit « vide » de l’espace.

Nous pourrions très bien considérer que deux charges interagissent directement l’une avec l’autre, sans passer par la notion de champ électrique : dans ce cas, là où il n’y a pas de matière, il ne se passe rien. Plutôt que de parler de « lumière » qui transporterait l’énergie d’une charge à l’autre, nous nous contenterions alors de dire que les deux charges interagissent directement l’une avec l’autre, avec un certain temps de latence. » (p. 366)


Il parle de « lumière » (électromagnétisme) qui transporterait de l’énergie d’une charge à l’autre…

L’ensemble de ces passages donnait l’impression qu’il disait que les phénomènes électrostatiques, les interactions entre des charges, pouvaient être vus comme des échanges de photons.

Après vos réponses et vos éclaircissements, j’en déduis qu’il parlait uniquement de phénomènes électrostatiques entre des charges distantes dans le vide. Dans ce cas, leurs interactions pourraient être vue comme des échanges de photons ou comme des interactions directement entre les charges (avec un temps de latence).

Dès lors que l’on se situerait dans un autre cas, par exemple que l’on étudie le courant électrique qui circule dans un conducteur, il s’agirait d’interactions entre les charges dans la matière et on ne pourrait plus parler d’échanges de photons. Il s’agirait d’un autre phénomène.

Grand merci pour vos réponses.
Bien à vous,