Vitesse de Propagation des Ondes – Facteur de Vélocité et Vitesse de l’Électricité
Le terme « électricité » fait généralement référence au mouvement des électrons (ou d’autres porteurs de charge) à travers un conducteur en présence d’une différence de potentiel ou d’un champ électrique. La vitesse de ce flux a plusieurs significations. Pour aborder la question de la rapidité du flux électrique, il est nécessaire de distinguer deux types principaux de vitesses : la vitesse de propagation des ondes et la vitesse de dérive.
Vitesse de Propagation des Ondes
La vitesse de propagation des ondes, également appelée facteur de vélocité ou vitesse de propagation d’un milieu de transmission, est le rapport entre la vitesse à laquelle un front d’onde (d’un signal électromagnétique, d’un signal radio, d’une impulsion lumineuse dans une fibre optique ou d’un changement de tension électrique sur un fil de cuivre) traverse le milieu et la vitesse de la lumière dans le vide. Les dimensions du fil et les propriétés électriques comme son inductance affectent la vitesse de propagation exacte, mais généralement, elle sera d’environ 90 % de la vitesse de la lumière, soit environ 270 000 km/s. Dans les appareils électriques et électroniques courants, les signaux se déplacent sous forme d’ondes électromagnétiques typiquement à 50 %-99 % de la vitesse de la lumière dans le vide, tandis que les électrons eux-mêmes se déplacent beaucoup plus lentement.
Par exemple, le facteur de vélocité pour un câble coaxial est généralement d’environ 0,66 à 0,85, ce qui signifie que la vitesse d’une onde électromagnétique dans le câble n’est que les deux tiers à quatre cinquièmes de la vitesse de la lumière dans le vide. Cela peut entraîner un retard des signaux lorsqu’ils sont transmis à travers le câble, car la vitesse de l’onde est plus lente que ce qu’elle serait dans le vide. Ce retard peut être significatif pour les signaux haute fréquence, pouvant entraîner des déphasages ou des distorsions en raison du facteur de vélocité.
Vitesse de Dérive
En électricité, la vitesse de dérive fait référence à la vitesse moyenne des porteurs de charge, généralement des électrons, lorsqu’ils se déplacent à travers un conducteur sous l’influence d’un champ électrique. Lorsqu’une tension est appliquée à travers un conducteur, un champ électrique est établi, ce qui pousse les électrons dans une certaine direction. Cependant, les électrons ne se déplacent pas en ligne droite mais plutôt effectuent un mouvement aléatoire dû aux collisions avec les atomes du conducteur, perdant de l’énergie et se dispersant dans des directions aléatoires. Ce mouvement crée une résistance au flux d’électrons et convertit une partie de l’énergie du champ électrique en chaleur.
Ce mouvement aléatoire fait que les électrons ont une vitesse moyenne, appelée vitesse de dérive. La vitesse de dérive des électrons dans un conducteur est généralement assez lente, de l’ordre de quelques millimètres par seconde, même si le courant dans le conducteur peut être assez élevé. Cela est dû aux collisions constantes des électrons avec les atomes du conducteur, qui ralentissent leur mouvement global. La vitesse de dérive est proportionnelle au courant. Dans un matériau résistif, elle est également proportionnelle à l’ampleur d’un champ électrique externe.
La formule pour calculer la vitesse de dérive des électrons dans un conducteur est la suivante :
vd = (I / nAq), où :
- vd est la vitesse de dérive des électrons en mètres par seconde (m/s)
- I est le courant circulant à travers le conducteur en ampères (A)
- n est le nombre de porteurs de charge par unité de volume dans le conducteur (en m-3)
- A est la surface en coupe transversale du conducteur en mètres carrés (m2)
- q est la charge d’un seul électron, qui est approximativement de 1.602 x 10-19 Coulombs (C)
Par exemple, lorsque une tension continue est appliquée, la vitesse de dérive des électrons augmentera en vitesse proportionnellement à la force du champ électrique. La vitesse de dérive dans un fil de cuivre de 2 mm de diamètre sous un courant de 1 ampère est d’environ 8 cm par heure. Les tensions alternatives ne provoquent aucun mouvement net ; les électrons oscillent d’avant en arrière en réponse au champ électrique alternatif (sur une distance de quelques micromètres).
Vitesse de Dérive et Mobilité des Électrons
La vitesse de dérive et la mobilité des électrons sont deux concepts liés dans l’étude de l’électricité et des conducteurs, mais ils se réfèrent à différents aspects du comportement des porteurs de charge, tels que les électrons, dans un matériau. La vitesse de dérive fait référence à la vitesse moyenne des porteurs de charge, tels que les électrons, lorsqu’ils se déplacent à travers un conducteur sous l’influence d’un champ électrique. Cette vitesse est affectée par des facteurs tels que la densité des porteurs de charge, la surface en coupe transversale du conducteur et la force du champ électrique. La vitesse de dérive est généralement assez lente, de l’ordre de quelques millimètres par seconde, en raison des collisions fréquentes entre les porteurs de charge et les atomes du conducteur.
La mobilité des électrons, en revanche, est une mesure de la facilité avec laquelle les électrons peuvent se déplacer à travers un matériau sous l’influence d’un champ électrique. Elle est définie comme le rapport de la vitesse de dérive des électrons à la force du champ électrique. Autrement dit, la mobilité des électrons est une mesure de l’efficacité avec laquelle les électrons peuvent se déplacer à travers le matériau, en tenant compte de la résistance à leur mouvement due aux collisions avec les atomes du conducteur. L’unité de mobilité des électrons est le mètre carré par volt-seconde (m2/Vs).
Bien que la vitesse de dérive et la mobilité des électrons soient liées, elles ne sont pas interchangeables. La vitesse de dérive est une quantité physique qui décrit le mouvement des porteurs de charge dans un conducteur, tandis que la mobilité des électrons est une propriété du matériau qui caractérise la facilité avec laquelle les électrons peuvent se déplacer à travers un matériau spécifique sous l’influence d’un champ électrique.