Explication "atomistique" de l'effet Joule

[forumeurlambda]

Bonjour à tous,

Je me pose une question concernant la "mécanique" de l'effet Joule.

Une explication très répandue (la seule, j'ai l'impression, d'où mes interrogations) est de dire que l'émission de chaleur observée lors du passage du courant à travers une résistance est due à des frottements entre les charges électriques et les atomes constitutifs de la résistance, ceux-ci agissant comme un "frein" au passage des charges.

Dès lors, puisque:

1. l'intensité dans un conducteur correspond à la quantité de charges électriques traversant une section de ce conducteur par unité de temps
2. L'intensité traversant une résistance a la même valeur en entrée et en sortie de celle-ci

Je ne comprends pas comment, s'il y a un frein, et donc une perte d'énergie (cinétique ?) dans la résistance, le débit de charges peut rester constant de part et d'autre de la résistance ?

Ne serait-ce pas là une des limites à l'analogie régulièrement proposée avec de l'eau circulant dans des tuyaux ? Y a-t-il une autre explication "atomistique" ou "quantique" (je veux dire, autre que de la mécanique pure) qui permettrait de réconcilier à la fois l'échauffement du conducteur, qui se ressent réellement au niveau macroscopique, et la valeur de l'intensité inchangée en entrée et en sortie de résistance ?

La réponse est peut-être toute bête, mais je préfère poser la question.

Je vous remercie
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[XK150]

Salut ,

On peut donner une meilleure et raisonnablement simple explication :

Dans un métal idéal, tous les atomes forment un réseau cristallin parfaitement régulier. Les électrons de la bande de conduction peuvent se déplacer librement autour de ces atomes,
ce qui facilite le passage d'un courant à travers le métal.

Dans un métal (théorique) avec un réseau cristallin parfait, les électrons ne perdraient aucune énergie et le métal se comporterait comme un supraconducteur.
Cependant, en réalité les métaux ne sont jamais idéaux, ils ont ce qu'on appelle des défauts. Un défaut est un endroit dans le réseau cristalin où un atome manque ( lacune ) , ou encore il est placé dans une mauvaise position, ou encore , il peut y avoir un atome d'un élément différent remplaçant l'un des propres du métal.

Lorsque les électrons rencontrent un tel défaut, ils rencontrent une discontinuité et sont déviés de leur trajectoire idéale. Cela ne peut se produire que si l'impulsion des électrons change . Le changement d'impulsion transfère une partie de l'énergie cinétique des électrons au réseau métallique, qui est la chaleur générée lorsqu'un courant circule dans un conducteur.

[mach3]

Dans un conducteur sous tension, il y a un champ électrique (à peu près constant, c'est le gradient du potentiel électrique). Les électrons libre du conducteur subissent donc une force electrique constante et devraient donc avoir une accélération constante. Pourtant leur vitesse est constante (et ridiculement faible). Donc la somme des forces est nulle et il y a une force qui s'oppose à la force électrique.

m@ch3

[titijoy3]

dans un tuyau, quand l'eau rencontre une section de tuyau plus petite le débit est le même en entrée de la réduction qu'en sortie, sinon on pourrait se demander où est passée l'eau qui manque, la réduction freine juste le débit,

pour les électrons c'est pareil, l'intensité est freinée dans une portion plus résistive mais elle est la même en entrée et en sortie, sinon on pourrait se demander où son passés les électrons manquants

[A voir en vidéo sur Futura]

[forumeurlambda]

Lorsque les électrons rencontrent un tel défaut, ils rencontrent une discontinuité et sont déviés de leur trajectoire idéale. Cela ne peut se produire que si l'impulsion des électrons change . Le changement d'impulsion transfère une partie de l'énergie cinétique des électrons au réseau métallique, qui est la chaleur générée lorsqu'un courant circule dans un conducteur.

Mais si les électrons cèdent une partie de leur énergie cinétique en chaleur, ne devraient ils pas être ralentis en sortie de la résistance ?

dans un tuyau, quand l'eau rencontre une section de tuyau plus petite le débit est le même en entrée de la réduction qu'en sortie, sinon on pourrait se demander où est passée l'eau qui manque, la réduction freine juste le débit,

pour les électrons c'est pareil, l'intensité est freinée dans une portion plus résistive mais elle est la même en entrée et en sortie, sinon on pourrait se demander où son passés les électrons manquants

D'accord, mais dans un tuyau rempli d'eau dont une section est réduite par un étranglement, la conservation du débit implique une accélération de l'eau en sortie de l'étranglement, c'est ce qui se passe avec les charges électriques dans une résistance ?

[titijoy3]

les électrons sont freinés dans la résistance, mais comme ils sautent d'atome en atome il faut qu'ils libèrent la place pour le suivant, la couche de valence n'admet pas un nombre illimité d'électrons et donc ce sont tous les électrons d'une branche de circuit qui sont freinés dans cette branche,

dans le tuyau d'eau le débit est réduit par un étranglement, du coup la pression devient plus forte en amont et plus basse en aval, comme dans une résistance, la tension devient plus élevée en amont de la résistance qu'en aval

[Archi3]

Mais si les électrons cèdent une partie de leur énergie cinétique en chaleur, ne devraient ils pas être ralentis en sortie de la résistance ?




D'accord, mais dans un tuyau rempli d'eau dont une section est réduite par un étranglement, la conservation du débit implique une accélération de l'eau en sortie de l'étranglement, c'est ce qui se passe avec les charges électriques dans une résistance ?

tu peux comparer ce qu'il se passe avec une conduite forcée, et un torrent de montagne, pour le même dénivelé. la conduite forcée a très peu de dissipations donc l'eau arrive en bas avec une grande vitesse, elle a converti en énergie cinétique son énergie potentielle de départ. Au contraire, le torrent ne va pas plus vite en bas qu'en haut, pourtant il avait la même énergie potentielle au départ. Mais le frottement sur les pierres a dissipé toute son énergie cinétique (également sous forme de chaleur, ce qui explique qu'ils gèlent moins vite que l'eau stagnante en hiver) . Mais la dissipation ne l'a pas non plus vraiment ralenti, en fait l'énergie cinétique reste à peu près la même et représente une quantité négligeable devant l'énergie potentielle et l'énergie dissipée qui sont du même ordre de grandeur.

C'est pareil pour les électrons de conduction, leur énergie cinétique reste relativement négligeable, c'est essentiellement l'énergie potentielle électrique libérée par le fait qu'ils "descendent les potentiels" qui se retrouve sous forme de chaleur, sans variation appréciable de l'énergie cinétique.

[albanxiii]

Mais si les électrons cèdent une partie de leur énergie cinétique en chaleur, ne devraient ils pas être ralentis en sortie de la résistance ?

C'est le champ électrique qui "paye" la différence. Autrement dit, vous consommez de l'énergie électrique que le générateur fourni.

[stefjm]

Dans la conduite forcée, l'eau ne va pas plus vite en bas qu'en haut.