Vitesse de l'électricité

Le sujet de la vitesse de l’électricité n’est pas aussi évident qu’il ne paraît.

Il faut distinguer deux phénomènes :

1. la vitesse de l’information ;
2. la vitesse des charges.

La vitesse de l’information : correspond à la vitesse de mise en marche des électrons (ou porteurs de charge). Pour illustrer cette différence, prenons l’image d’une file d'automobiles arrêtées à un feu rouge. Lorsque le feu passe au vert, la première voiture démarre, puis une seconde après la deuxième voiture démarre, encore une seconde et c'est la troisième qui bouge… Si on estime qu’il y a une voiture tous les 4 mètres, on voit que l’information se déplace à une vitesse de 4 m/s. Cette vitesse est très différente de la vitesse d'une automobile qui démarre soit environ 1 km/h, représentant 0,28 m/s.

Vitesse de l'information

Pour le courant électrique, la vitesse de l'information est d'environ 226 000 km/s dans l'eau^[1] (courant électrique dans une solution saline) et 273 000 km/s dans le cuivre^[1] (courant électrique dans un fil). La vitesse exacte dépend des caractéristiques géométriques du circuit. On peut dire que le courant démarre et atteint sa vitesse de croisière instantanément (par contre il n'accélère plus ensuite).

Lorsqu'on ferme l'interrupteur, on crée un champ électrique. Cette variation de champ électrique se propage à l'appareil alimenté. Ainsi, dans le cas d'une ampoule reliée à un interrupteur par un fil de cuivre de 10 m, l'ampoule s'allume 3,66·10^-8 secondes après la fermeture de l'interrupteur (environ 40 ns ou encore quatre centièmes de millionième de seconde)

Vitesse de déplacement des charges

La vitesse de déplacement moyenne des charges^[2] due à la différence de potentiel appliquée est beaucoup plus lente, environ 60 cm par heure dans un fil de cuivre. Ainsi, lorsqu’on allume la lumière, un flot d'électrons sort du générateur, suit le fil, passe par l’interrupteur, par l’ampoule et finit par retourner au générateur (aussi faut-il qu'on laisse allumé assez longtemps).

Pour estimer cette vitesse de déplacement des charges électriques dans un fil, on peut utiliser une mesure de l'intensité du courant I dans le fil, ce qui est une mesure du débit de charges électriques. Prenons un fil de section 1 mm² (10^-6 m²) traversé par un courant de 0,1 A, ce qui correspond par définition à 0,1 C/s. Comme chaque électron porte une charge de 1,6 10^-19 C, ceci correspond à un nombre de 6,2 10¹⁷ électrons qui traversent la section du fil chaque seconde. En supposant que chaque atome libère un électron libre, le volume d'un atome étant de 2 10^-29m³, le volume occupé par ces électrons est de 1,2 10^-11 m³. Il faut donc une vitesse moyenne de 1,2 10^-5 m/s aux électrons pour qu'ils puissent passer à travers la section du fil en une seconde.

En fait, le courant domestique étant alternatif (50 ou 60 Hz selon les pays), les électrons font des aller-retour 50 ou 60 fois par seconde (ils ne bougent quasiment pas).

Les électrons sont les maillons d’une chaîne reliant la centrale électrique et l’ampoule des deux côtés ; quand on tire une charge avec une chaîne, le maillon qui la maintient ne rencontre jamais la charge, d'autant plus si on inverse régulièrement le sens de traction.

Une autre image est une vague à la mer : elle se propage et fait bouger des surfeurs. Par contre l'eau ne bouge pas : il suffit de poser une bouée sur une série de vagues. S'il n'y a pas de vent la bouée oscillera, mais ne se déplacera pas. De même les électrons ne bougent que très peu.

Par contre lorsqu'un courant continu traverse un tube électronique, dans lequel règne le vide, c'est bien un flux d'électrons qui passe d'une électrode à l'autre à une vitesse de l'ordre de 15 kilomètres par seconde, déterminée par l'énergie des électrons. L'onde de différence de potentiel, qui met les électrons en mouvement, se déplace quant à elle à une vitesse très proche de celle de la lumière.

Si l'on a l'impression d'instantanéité, par exemple entre l'instant où nous manœuvrons un interrupteur et l'instant où la lumière jaillit d'une ampoule électrique, c'est parce que le fil électrique est plein d'électrons. En appuyant sur l'interrupteur, un champ électrique s'établit dans tout le circuit à une vitesse proche de la lumière dans le vide et c'est ce champ qui met les électrons en mouvement partout dans le fil. Tous les électrons « démarrent » partout dans le fil en un temps très bref. À l'instant où le filament se met à briller, les électrons qui l'échauffent ne sont pas ceux qui sont passés dans l'interrupteur juste au moment où nous l'avons actionné. Ces derniers arriveront des heures plus tard. C'est comme lorsqu'on ouvre le robinet d'un tuyau d'arrosage. Si le tuyau est plein d'eau, l'eau sort presque tout de suite à l'extrémité du tuyau, même s'il est long. Mais l'eau qui sort est celle qui était « en attente » juste avant l'extrémité du tuyau, pas celle qui sort du robinet et qui arrivera plus tard. C'est une onde de pression qui met l'eau en mouvement dans le tuyau (qui se déplace à environ 1000 m/s).

Notes

Bibliographie

• Jean-Marc Lévy-Leblond, André Butoli, La physique en question, Vuibert, 1983 (ISBN 2-7117-4188-5) 

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