Comment l'électricité les courants électriques et les électrons se déplacent-ils dans les fils les câbles et les métaux

Le mouvement du courant dans les fils, les câbles et les métaux est un phénomène physique fondamental qui implique le mouvement des électrons et les propriétés des matériaux conducteurs. Voici une explication détaillée de ce processus :

1. Concept d'électrons libres

Dans les métaux et les matériaux conducteurs, il y a un grand nombre d'électrons libres. Ces électrons libres ne sont pas liés aux noyaux atomiques et peuvent se déplacer librement à l'intérieur du matériau. La présence d'électrons libres est la principale raison pour laquelle les métaux sont de bons conducteurs d'électricité.

2. Effet d'un champ électrique externe

Lorsqu'une tension (c'est-à-dire un champ électrique externe) est appliquée à travers un matériau conducteur, les électrons libres sont influencés par le champ électrique et commencent à se déplacer de manière directionnelle. La direction du champ électrique détermine la direction du mouvement des électrons. Généralement, le champ électrique pointe du terminal positif vers le terminal négatif, et les électrons se déplacent en sens inverse, du terminal négatif vers le terminal positif.

3. Mouvement directionnel des électrons

Sous l'influence du champ électrique, les électrons libres commencent à se déplacer de manière directionnelle, formant un courant. La direction du courant est définie comme la direction du mouvement de la charge positive, qui est opposée à la direction réelle du mouvement des électrons. Ainsi, lorsque nous disons que le courant va du positif au négatif, cela signifie en réalité que les électrons se déplacent du négatif au positif.

4. Interaction avec le réseau cristallin

Au cours de leur mouvement, les électrons libres entrent en collision avec le réseau cristallin (arrangement atomique) du matériau. Ces collisions dispersent les électrons, modifiant leur direction de mouvement et réduisant leur vitesse moyenne. Cet effet de dispersion est l'une des sources de résistance.

5. Densité de courant

La densité de courant (J) est le courant par unité de surface de section transversale et peut être exprimée par la formule :

J = I/A

où I est le courant et A est la surface de section transversale du conducteur.

6. Loi d'Ohm

La loi d'Ohm décrit la relation entre le courant, la tension et la résistance :

V = IR

où V est la tension, I est le courant et R est la résistance.

7. Propriétés des matériaux conducteurs

Différents matériaux conducteurs ont des propriétés conductrices variables, qui dépendent de leur structure électronique et de leur structure cristalline. Par exemple, le cuivre et l'argent sont d'excellents conducteurs car ils possèdent un grand nombre d'électrons libres et une faible résistivité.

8. Effet de la température

La température a un impact significatif sur la conductivité. Généralement, lorsque la température augmente, les vibrations du réseau cristallin dans le matériau s'intensifient, augmentant la fréquence des collisions électron-réseau et entraînant une résistance plus élevée. C'est pourquoi la résistance des conducteurs augmente à des températures plus élevées.

9. Supraconductivité

Dans certaines conditions spécifiques, certains matériaux peuvent entrer dans un état supraconducteur, où la résistance tombe à zéro, permettant au courant de circuler sans aucune perte. La supraconductivité se produit généralement à des températures très basses, mais des recherches récentes ont découvert certains matériaux supraconducteurs à haute température.

Résumé

Le mouvement du courant dans les fils, les câbles et les métaux est alimenté par le mouvement directionnel des électrons libres sous l'influence d'un champ électrique externe. Les interactions des électrons avec le réseau cristallin du matériau provoquent de la résistance. Les propriétés des matériaux conducteurs, la température et d'autres facteurs influencent tous l'efficacité de la transmission du courant. Comprendre ces principes de base aide à mieux concevoir et appliquer les matériaux et circuits conducteurs.