Comment un fil transporte-t-il du courant alternatif?

Peeyush Kushwaha

Comment un fil transporte-t-il du courant alternatif?


Considérons un réseau simple d’une ampoule dont les deux bornes sont connectées à deux fils avec des extrémités ouvertes A et B respectivement

  A o--------💡--------o B 

Maintenant, si une source de courant continu est connectée aux bornes A et B, par exemple, la borne B est au potentiel +5 et la borne A est au potentiel 0, alors exactement ce qui se passe est que « la charge négative circule vers la borne à un potentiel plus élevé, c’est-à-dire la borne B » ce que cela signifie, si je comprends bien, c’est que: –

En raison des forces électromagnétiques, tous les électrons du fil sont déplacés vers A avec une certaine vitesse provoquant un courant positif vers B. Cette dérive d’électrons réchauffe le fil de filament hautement résistif de l’ampoule et le fait briller.

Donc, quelque chose comme ce qui suit est une bonne représentation du voyage d’un seul électron e dans le fil pour un circuit CC:

  A o--------💡-----e--o B (+5) A o--------💡---e----o BA o--------💡-e------o BA o-------e💡--------o BA o-----e--💡--------o BA o---e----💡--------o BA oe------💡--------o B 

En supposant que ma compréhension de la façon dont un fil transporte du courant continu est correcte, je voudrais comprendre comment un fil transporte du courant alternatif.

Je pense que puisque le courant alternatif change périodiquement de direction, peut-être que les électrons se déplacent d’avant en arrière (peut-être oscillent sur la longueur du fil autour de leur position moyenne?), Ce qui réchauffera également le filament de l’ampoule et l’illuminera ainsi. Mais je ne comprends pas pourquoi ils peuvent se déplacer d’avant en arrière. Surtout si la longueur du fil était grande, disons 3 * 10 ^ 8 mètres, le mouvement des électrons à une extrémité du fil serait-il « synchronisé » avec le mouvement des électrons à l’autre extrémité?

Question bonus: comment le flux d’électrons dans les circuits CC fonctionnerait-il si une ampoule et une source de tension 5V maintenues à 3 * 10 ^ 8 mètres l’une de l’autre étaient connectées par deux fils droits de 3 * 10 ^ 8 mètres de long? Supposons qu’il y ait un interrupteur à mi-chemin entre l’un des deux fils et qu’il vient d’ être basculé en position « on ».

Eric Towers

J’ai souvent trouvé que le mot « slosh » est le bon mot à garder à l’esprit lorsque l’on pense aux mouvements des électrons sur de longs fils et lorsque l’on pense à AC.

Stan Rogers

Vous voudrez peut-être, par intérêt, lire un peu sur l’histoire des premiers câbles télégraphiques transatlantiques . Une fois que vous allez au-delà de la simple mécanique de la pose d’un câble, tout est amusant et des jeux avec DC, des commutateurs, et combien de temps les fils cessent d’être « juste des fils » et commencent à être des « lignes de transmission ».

Slebetman

Les électrons en AC et DC se déplacent très lentement. Environ 2,5 mm par seconde. Donc, dans une pièce moyenne (environ 10mx10m), il faudrait une heure à un électron pour se déplacer du commutateur à l’ampoule (en supposant DC). Mais l’ampoule s’allume instantanément. Ce qui se passe, c’est que tandis que les électrons se déplacent lentement, les trous qu’ils laissent derrière eux se déplacent à une vitesse presque légère. Ainsi, alors que la charge se déplace lentement à travers le fil, le courant est très, très rapide.

Slebetman

Je ne sais pas si vous vivez dans un pays qui a des embouteillages, mais si vous avez déjà été coincé dans une voiture dans un embouteillage, vous pouvez voir comment les trous laissés par les voitures qui avancent dans l’embouteillage se déplacent beaucoup plus rapidement que le voitures (les trous se déplacent vers l’arrière à travers le bourrage – tout comme le courant se déplaçant dans la direction opposée aux électrons). Le trou commencé par une voiture à la tête de la confiture atteint votre voiture bien avant d’atteindre la fin de la confiture.

Kevin Fegan

@slebetman – Mais, le « trou » suivant apparaîtra devant vous à « exactement » le même rythme que vous déplacez. Donc, si le trafic se déplace à 3 mètres par minute et que les «trous» sont généralement d’environ 3 mètres, vous verrez 1 trou traverser chaque minute.

Réponses


 Anna v

En raison des forces électromagnétiques, tous les électrons du fil se déplacent vers A avec une certaine vitesse provoquant un courant positif vers B.

Les électrons ont une petite vitesse de dérive , ne bougeant pas beaucoup.

Bien que votre lumière s’allume très rapidement lorsque vous actionnez l’interrupteur et qu’il vous soit impossible d’éteindre la lumière et de vous mettre au lit avant que la pièce ne sombre, la vitesse de dérive réelle des électrons à travers les fils de cuivre est très lente. C’est le changement ou «signal» qui se propage le long des fils à essentiellement la vitesse de la lumière.

Un seul électron ne passe pas de A à B. Considérez-le comme chaque électron poussant le suivant, et le signal voyage avec la vitesse de la lumière, au maximum, le long du fil.

Cette dérive d’électrons chauffe le fil de filament hautement résistif de l’ampoule et le fait briller.

Vrai.

Mais je ne comprends pas pourquoi ils peuvent se déplacer d’avant en arrière. Surtout si la longueur du fil était grande, disons 3 * 10 ^ 8 mètres, le mouvement des électrons à une extrémité du fil serait-il « synchronisé » avec le mouvement des électrons à l’autre extrémité?

Pourquoi pas? Lorsque le champ change en A et B, le changement se propage par des électrons se déplaçant d’avant en arrière sur une position moyenne. Comme pour les vagues d’eau, les atomes ne bougent pas beaucoup de leur position, l’énergie est transférée atome par atome. Dans le cas des champs électriques et des électrons, le champ est constitué à l’échelle microscopique par le mouvement in situ des électrons, de manière sinusoïdale.

De très longs fils entrent dans le domaine de la relativité restreinte et de la limite de la vitesse de la lumière dans les effets de transfert des champs.

ruakh

@guntbert: Pour les fils de longueurs raisonnables, nous traitons tout comme simultané sur toute la longueur du fil; la modification de la chute de tension (différence de potentiel) entre les deux extrémités du fil a un effet instantané sur le champ électrique à travers le fil, un effet instantané sur le courant à travers le fil, etc. Pour les fils très longs – plus longs que {vitesse de light} x {intervalle de temps que nous sommes prêts à truquer} – cette simultanéité ne peut pas tenir, en raison de la relativité restreinte.

Austin

Une relativité restreinte n’est pas requise. Les lois de Maxwell stipulent que les changements dans les champs électromagnétiques se déplacent à la vitesse de la lumière. En fait, c’est ce qui a conduit Einstein à une relativité restreinte.

Anna v

@ Austin oui, mais Max equ. ne vous occupez pas de la physique atomique, ne savez rien des électrons.

Anna v

@Austin le « signal », l’impulsion, le transfert d’énergie est ce qui est limité par c, et dépend de la microstructure c’est-à-dire des vitesses de dérive etc., de l’action réelle au niveau microscopique.

Falco

@KevinFegan L’image simplifiée est la suivante: même lorsqu’ils sont éteints, le fil et la lampe sont déjà pleins d’électrons. Imaginez un long tube rempli de balles de baseball. Maintenant, vous commencez à pousser des balles de baseball à une extrémité et presque immédiatement, des balles de baseball tomberont à l’autre extrémité, sans qu’aucune baseball ne se déplace sur toute la longueur.


 Le photon

Comme le soulignent les autres réponses, il y a un grand nombre d’électrons dans un morceau de fil, et aucun électron ne doit traverser tout le circuit pour qu’un courant circule. Vous pouvez penser à un courant alternatif comme à une mer d’électrons qui va et vient.

Je vais me concentrer sur votre deuxième question:

Comment le flux d’électrons dans les circuits CC fonctionnerait-il si une ampoule et une source de tension 5V maintenues à 3 * 10 ^ 8 mètres l’une de l’autre étaient connectées par deux fils droits de 3 * 10 ^ 8 mètres de long? Supposons qu’il y ait un interrupteur à mi-chemin entre l’un des deux fils et qu’il vient d’être basculé en position « on ».

Lorsque la longueur des fils devient supérieure à environ 1/10 de la longueur d’onde correspondant aux fréquences du signal actuel, vous devez commencer à considérer vos fils comme des lignes de transmission au lieu de fils idéaux.

Cela signifie que vous devez considérer qu’aucun signal ne se propage plus vite que la vitesse de la lumière, et probablement encore plus lentement pour tenir compte de la géométrie de la ligne et de l’effet diélectrique du milieu entre les deux fils.

Pour le type de situation dont vous parlez, la distance critique sera bien inférieure à la distance

dix 8

m vous avez mentionné. Pour une transmission en courant alternatif de 60 Hz, cette distance ne serait que d’environ 100 km. Si vous aviez vraiment un interrupteur à fermeture rapide et une source de lumière à haute vitesse (comme une diode laser) comme charge, vous pourriez voir des effets de ligne de transmission avec seulement quelques cm entre l’interrupteur et la charge.

Le résultat de base est que lorsque vous fermez un commutateur sur une longue ligne, le signal actuel ne se propage vers la charge qu’à environ c . Et quand il atteindra la charge, il y aura très probablement un signal réfléchi généré vers la source, provoquant une « sonnerie » dans le signal. Les détails de l’apparence du signal de propagation dépendent des détails de la géométrie de la ligne et du matériau entre le signal et les lignes de retour.

Kevin Fegan

La deuxième question des PO concernait les circuits "DC" , et votre réponse parle (presque) exclusivement de circuits "AC" .

Le photon

@KevinFegan, il / elle a utilisé le terme « DC », mais le circuit qu’il a décrit contient un interrupteur qui change d’état. Ce circuit ne peut pas être analysé comme un circuit DC.

Kevin Fegan

Je la lis (deuxième question) comme une pure question « DC »: 1) une ampoule, 2) une source d’alimentation 5V « DC », 3) 2 (très) longs fils de même longueur reliant le 5VDC à l’ampoule, 4) un simple interrupteur marche / arrêt au milieu d’un des fils, et 5) l’interrupteur est passé une fois de la position arrêt à la position marche.

Le photon

@KevinFegan, c’est comme ça que je le lis aussi. Et ce circuit ne peut pas être analysé comme un circuit continu.

Peeyush Kushwaha

@ThePhoton, je voulais dire DC. Je ne comprends pas pourquoi il ne peut pas être analysé comme un circuit CC. Ne peut-il y avoir de longs circuits CC? Les circuits CC peuvent avoir des commutateurs


 Alfred Centauri

Surtout si la longueur du fil était grande, disons 3 * 10 ^ 8 mètres, le mouvement des électrons à une extrémité du fil serait-il « synchronisé » avec le mouvement des électrons à l’autre extrémité?

Non, ils ne le feraient pas et ce fait est crucial pour comprendre le fonctionnement de l’antenne.

Notez que même les conducteurs courts deviennent électriquement longs si la fréquence est suffisamment élevée.

Essentiellement, si la longueur du conducteur est très petite par rapport à la longueur d’onde d’une onde électromagnétique à la fréquence de fonctionnement, alors la tension et le courant le long du fil à tout instant sont essentiellement uniformes, c’est-à-dire que nous pouvons traiter le conducteur comme un élément regroupé.

Cependant, pour des longueurs de conducteur comparables (ou beaucoup plus longues) à la longueur d’onde, la tension et le courant le long du conducteur varient dans l’espace et le temps. Par exemple, regardez cette distribution, à un instant donné, de la tension et du courant le long d’une antenne:

entrez la description de l'image ici

Question bonus: comment le flux d’électrons dans les circuits CC fonctionnerait-il si une ampoule et une source de tension 5V maintenues à 3 * 10 ^ 8 mètres l’une de l’autre étaient connectées par deux fils droits de 3 * 10 ^ 8 mètres de long? Supposons qu’il y ait un interrupteur à mi-chemin entre l’un des deux fils et qu’il vient d’être basculé en position « on ».

Ce n’est pas trop loin d’un problème standard lors de l’étude de la théorie des lignes de transmission.

Essentiellement, les deux fils forment un guide pour les ondes électromagnétiques et ont une impédance caractéristique associée. Vous pourriez, par exemple, considérer vos deux conducteurs comme quelque chose comme une ligne de transmission à deux fils de 300 Ohms .

Une analyse transitoire d’un problème de ligne de transmission commutée donnera des solutions qui ressemblent à des fonctions d’étape de propagation de tension et de courant qui impliquent une réflexion aux extrémités (en raison d’un décalage d’impédance) et une dissipation. Finalement, le système se stabilise.

entrez la description de l'image ici


 Laff70

Considérez AC comme quelque chose qui commence comme une tension DC positive. Ensuite, il commence à aller dans la direction opposée. Revenez ensuite. Et continue de le faire encore et encore. Lissez ensuite le changement de courant et rendez-le sinusoïdal. Maintenant, vous avez AC.

Peeyush Kushwaha

CA aide. Pourriez-vous également répondre à la partie de ma question concernant les mouvements d’électrons aux deux extrémités étant synchronisés si le conducteur est très long?

Laff70

Oui. Dans le cas DC, lorsque la source de tension (batterie) est introduite dans le circuit ouvert, le fil connecté à la borne négative (1,5 unité de long) commencera à se remplir d’électrons jusqu’à ce qu’il acquière une charge négative suffisante (toujours assez faible). Le fil connecté à la borne positive (0,5 unité de long) commencera à perdre des électrons jusqu’à ce qu’il gagne une charge positive suffisante (encore assez faible). La densité de charge du fil le plus court est 3 fois supérieure à celle du fil le plus long. Maintenant, l’interrupteur est actionné et le courant recommence à circuler. Après 0,5 seconde, le courant atteindra le (à suivre …)

Laff70

l’ampoule et allumez-la. Le courant atteindra également l’extrémité positive de la batterie maintenant. Puisque la batterie commence à se charger négativement et que la borne chargée négativement n’est pas aussi chargée négativement qu’elle le ferait normalement (comme si la batterie était chargée de manière neutre et n’était connectée à rien), la borne chargée négativement recommence à émettre des électrons. Après 0,5 seconde de plus, la partie du circuit sans courant commencera à avoir du courant qui le traversera. (AC sera discuté dans le prochain commentaire)

Laff70

Dans le cas AC, cela dépend de la vitesse à laquelle le courant alterne. Dans ce cas, supposons que le courant alterne 1 fois par seconde (il faut donc 1 seconde pour que le courant passe du positif au négatif et vice-versa). Disons que suivaient la propagation du courant à travers le fil. À 0 seconde, le générateur de courant alternatif émet un courant de +1 et le courant que nous suivons est au même endroit et a un courant de +1. 0,5 seconde plus tard, le courant +1 est de l’autre côté du fil et le générateur de courant alternatif émet un courant de -1. Ainsi, ils sont désynchronisés / phase.

garype

@ Laff70 Vous pouvez modifier votre réponse, qui est plus facile à lire qu’un commentaire en plusieurs parties. Une façon de gérer cela consiste à ajouter une mise à jour après le commentaire à la fin de votre question d’origine, puis à y ajouter votre réponse. Cela préserve votre réponse originale afin que les gens puissent mieux suivre la discussion.


 Oswald

C’est dû au champ électrique qui va provoquer le déplacement des électrons. La vitesse de dérive des électrons est beaucoup plus lente. Il y aura un retard dans l’allumage de l’ampoule, et il est égal à environ

l / c

,

l

étant la longueur du fil. Votre diagramme n’est pas tout à fait exact, car il montre que si les électrons sont produits à une extrémité et reçus par une autre, les électrons seront toujours présents (en abondance), donc l’électron final et l’élection de départ seront désynchronisés par

l / c

, la même chose fonctionne pour AC et DC.

Peeyush Kushwaha

N’y a-t-il pas un flux net de charge entre deux bornes en DC? Je comprends que le fil conducteur est plein d’électrons, et ce n’est pas comme si une extrémité produisait des électrons et que l’autre extrémité les consommait, dans mon diagramme, j’ai montré le voyage d’un seul électron (entouré de nombreux électrons voisins voyageant avec lui) .

Oswald

Il y a un flux de charge net en DC, mais en AC, comme vous l’avez dit, il y a un mouvement mais la position moyenne reste la même

Peeyush Kushwaha

ah ok, mon schéma concernait le circuit DC. Modifications apportées pour le rendre plus clair maintenant.

 

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