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 la vitesse de la lumière dans le milieu, soit 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). 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 4·10^-8 secondes après la fermeture de l'interrupteur (40 ns ou encore quatre centièmes de millionième de seconde)

Vitesse de déplacement des charges

Les charges, elles, se déplacent beaucoup plus lentement, environ 60 cm par heure dans un fil de cuivre. Ainsi, lorsqu’on allume la lumière, ce n’est pas un flot d'électrons sortant du générateur qui suit le fil, passe par l’interrupteur, par l’ampoule et finit par retourner au générateur.

En fait, le courant domestique étant alternatif (50 ou 60 Hz selon les pays), les électrons font des allers-retours 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 que la main tient 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, une diode par exemple, 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. Ce qui se déplace à une vitesse très proche de celle de la lumière, c'est l'onde de différence de potentiel qui met les électrons en mouvement.

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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