Annexe F Vitesse des électrons dans un fil conducteur
Un calcul simple montre que la vitesse des électrons
dans un fil de cuivre de 1 mm2 parcouru par un courant
de 10 A est de l'ordre de 0,6 mm/s.
Comment se fait-il alors, penserez-vous, que l'on puisse téléphoner
à grande distance sans observer de retard apparent dans la réponse
de notre correspondant ? En fait, dans un fil conducteur, il y a trois
vitesses. La vitesse d'agitation thermique
des électrons qui est très grande (de l'ordre de 120'000 m/s ou 342'000
km/h pour une température de 27°C), mais totalement désordonnée :
les électrons s'agitent dans tout les sens et en moyenne la vitesse
est nulle. La vitesse du courant
d'électrons qui est très faible comme on vient de le voir. Et enfin
la vitesse du signal propagé par le courant
électrique et qui est celle de la vitesse lumière (c'est-à-dire environ
300'000'000 m/s). Pour le comprendre, on peut faire l'analogie suivante
(figure F.1) :
Figure F.1 : Vitesses de propagation
On pousse le piston 1 très lentement. Presque immédiatement le piston
2 se met en mouvement. Le signal (de poussée) est donc très rapide,
mais les molécules d'eau vont, elles, très lentement.
Remarquons que la grande vitesse du signal transmis par l'eau est
due à la quasi incompressibilité de l'eau. De même parle-t-on, à la
fois par analogie et par extension mathématique du concept, d'une
incompressibilité de l'électricité expliquant la vitesse de propagation
du signal électrique. Mais attention, cette analogie est limitée au
courant de conduction (le courant
électrique dans un conducteur). Elle n'est plus valable pour des courants
de déplacement des électrons dans des isolants. Cela
reste donc une analogie pour ne pas parler de la véritable raison
de la propagation du signal qui se situe au niveau du champ
électrique. On montre en effet que c'est le champ électrique
qui déplace à la vitesse lumière le signal.
