Bases de l'électricité

[invite9910ee8d]

Bonjour,
je me tourne vers vous car durant tout mon lycée les professeurs de physique ne se sont pas penché là dessus. En effet, on termine le bac sans vraiment comprendre l'électricité, et je me retrouve maintenant dans le supérieur à appliquer des calculs sans comprendre le fond des choses. Je voudrais comprendre ce qui se passe dans un circuit au niveau des électrons car je ne m'y retrouve plus en terme de conventions etc... Je sais que un courant électrique est dû au mouvement d'ensemble des électrons, mais j'aimerais bien savoir ce qui se passe aux bornes d'une resistance en termes de difference de potentiel (comme on nous l'explique pour le générateur), à savoir, que font les electrons en arrivant aux bornes d'une resistance, que font ils à l'intérieur de la résistance, quel est leur effet sur la tension générale du circuit, et comment cet effet physique se traduit au niveau des vecteurs tension (je prends ici la convention française): pourquoi le vecteur est il orienté dans le sens opposé du courant. Aussi, j'aimerais bien confirmer que on oriente le vecteur tension aux bornes d'un générateur du - vers le + car on représente le sens que les electrons prendraient si les deux bornes étaient liées directement l'une à l'autre et non pas par l'intermédiaire de toute la longueur du circuit?
Merci de votre aide, je sais que ce genre de questions peut vous sembler futile, mais pour moi tout les calculs (plutôt simples finalement) qu'on effectue bêtement n'ont aucune valeur si je comprends pas ceci...
Cordialement
-----

[LPFR]

Bonjour.
Je suis d’accord que faire des calculs sans comprendre ce qui se passe est très désagréable et très frustrant.
Mais les questions que vous posez demandent des explications un peu longues.

La tension n’est pas un vecteur et la flèche que l’on dessine pour indiquer une polarité est une vulgaire flèche et non un vecteur et elle ne représente pas un vecteur. Dans le meilleur de cas elle ne représente qu’une convention. (Alors que la flèche que vous dessinez pour représenter une force ou une vitesse représente un vecteur).
Même chose pour la flèche qui indique le sens choisi pour le courant. Ces deux flèches ne sont pas plus des vecteurs que celles qui indiquent la sortie ou la direction des toilettes.

Il y a très longtemps quelqu’un (Benjamin Franklin je crois). Trouva qu’il avait deux types de charge (en frottant une tige en verre avec une peau de chat ou un autre isolant contre un autre tissu, je ne me souviens plus). Son choix du nom de charges positives ou négatives était tout à fait arbitraire. On ne savait pas ce qu’était l’électricité à son époque et encore moins que des atomes et des électrons existaient.
Quand on avança et on commença à parler du courant électrique (comme un fluide), on assigna le sens du courant du positif au négatif. Bien des décennies plus tard on fini par découvrir ce qu’était le courant. Mais c’était trop tard pour changer les noms des polarités et de sens du courant.
Donc, tant pis pour vous. Vous gardez le sens des conventions et oubliez ce qui se passe au niveau microscopique dans la matière.

Et si vous voulez savoir ce qui se passe au niveau microscopique, alors oubliez le sens du courant des électriciens.

Je vous copie une explication que j’ai donnée autrefois. Il s’agit de la conduction ans métal vrai (résistif) :

Dans un métal, une partie des atomes libère son dernier électron qui devient un "électron libre" et qui forme avec les autres électrons un "gaz d'électrons". Ces électrons sont animés d'une vitesse importante (de dizaines de km/s) due à l'agitation thermique mais, en moyenne, ils font du sur place. Car ils rebondissent sur les atomes du métal.

Quand on applique un champ électrique dans le métal (en appliquant une différence de tension sur les extrémités du conducteur), ce champ électrique crée une force qui pousse les électrons libres vers le pôle +, en leur donnant un chouia de vitesse dans cette direction. Cette vitesse supplémentaire se perd à la prochaine collision avec un atome. Mais, en moyenne, l'électron s'est déplacer d'un chouia vers le pôle +. Tous les électrons font la même chose. La vitesse moyenne n'est plus zéro, mais de quelques centièmes de mm par seconde, pour des situations habituelles.
Cette vitesse moyenne est proportionnelle au champ et donc à la tension appliquée.
C'est pour cela que l'analogie avec la pression d'eau aux extrémités d'un tuyau est correcte.

Le petit excès d'énergie donné aux électrons par le champ entre deux collisions successives, qui est transmis aux atomes, chauffe le conducteur. C'est ce que l'on appelle l'effet Joule.

Le courant dans le conducteur est la charge électrique transportée par les électrons par unité de temps. Ce courant est donc proportionnel au champ et à la tension. Son analogue hydraulique est le débit dans le tuyau.

Il ne faut pas confondre la vitesse des électrons, avec la vitesse moyenne des électrons ni avec la vitesse de transmission d'un signal (une variation de courant) le long du conducteur.

Ce sera tout pour cette fois.
Au revoir.