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 ».

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.

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.

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:

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.

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.

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.