Les lumières s’allument très rapidement lorsque j’actionne l’interrupteur. A quelle vitesse l’électricité circule-t-elle dans un fil ?
Novembre 2001
Pour répondre à cette question, nous devons examiner la matière elle-même à un niveau très basique. La matière est constituée de petites unités appelées atomes. A ce niveau atomique, la matière possède deux caractéristiques fondamentales. La matière a une masse et elle peut avoir une charge électrique, positive ou négative, ou être neutre, sans charge. Chaque atome contient trois types de particules aux caractéristiques différentes ; des protons positifs, des neutrons neutres et des électrons négatifs.
Le courant électrique (électricité) est un flux ou un mouvement de charge électrique. L’électricité qui est conduite par les fils de cuivre de votre maison est constituée d’électrons en mouvement. Les protons et les neutrons des atomes de cuivre ne se déplacent pas. La progression réelle des électrons individuels dans une direction donnée à travers le fil est assez lente. Les électrons doivent se frayer un chemin à travers les milliards d’atomes du fil, ce qui prend un temps considérable. Dans le cas d’un fil de cuivre de calibre 12 transportant un courant de 10 ampères (typique d’un câblage domestique), les électrons individuels ne se déplacent que d’environ 0,02 cm par seconde ou 1,2 pouce par minute (en science, on appelle cela la vitesse de dérive des électrons). Si telle est la situation dans la nature, pourquoi les lumières s’allument-elles si rapidement ? À cette vitesse, il faudrait des heures aux électrons pour atteindre les lumières.
Les atomes sont très petits, moins d’un milliardième de mètre de diamètre. Le fil est « plein » d’atomes et d’électrons libres et les électrons se déplacent parmi les atomes. Dans un fil de cuivre typique, il y aurait des trillions d’électrons passant devant un point donné du fil chaque seconde, mais ils passeraient devant ce point très lentement. Comparez le fil à un tuyau rempli de billes. Si nous poussons une autre bille dans un tuyau rempli, une bille doit sortir à l’autre extrémité. Les électrons sont comme cela dans un fil. Si l’un d’entre eux bouge, ils doivent tous bouger. Ainsi, lorsque vous actionnez un interrupteur, une différence de potentiel électrique (créée par un générateur) entraîne immédiatement une force qui tente de déplacer les électrons. Si vous faites bouger un électron lorsque vous actionnez un interrupteur, les électrons de tout le fil se déplacent, même si le fil est long de plusieurs kilomètres. Par conséquent, lorsque vous allumez un interrupteur, les électrons de la lumière commencent à se déplacer « instantanément » en ce qui nous concerne, c’est-à-dire que quelque chose commence à se produire dans tout le système électrique. Bien que les électrons se déplacent en réalité lentement dans le fil, nous disons que la vitesse de l’électricité est proche de la vitesse de la lumière (extrêmement rapide). Ce que nous voulons dire, c’est que les effets de l’électricité se produisent « instantanément ». La lumière s’allume dès que vous actionnez un interrupteur. Vous n’avez pas besoin d’attendre que les électrons circulent de l’interrupteur vers la lumière.