Circuits et vitesse de la lumière

Supposons que nous ayons un simple circuit à une batterie et une lampe contrôlé par un interrupteur. Lorsque l'interrupteur est fermé, la lampe s'allume immédiatement. Lorsque l'interrupteur est ouvert, la lampe s'assombrit immédiatement :(Figure ci-dessous)

La lampe semble répondre immédiatement au commutateur.

En fait, une lampe à incandescence met peu de temps à son filament pour se réchauffer et émettre de la lumière après avoir reçu un courant électrique d'une amplitude suffisante pour l'alimenter, donc l'effet n'est pas instantané. Cependant, ce sur quoi j'aimerais me concentrer, c'est l'immédiateté du courant électrique lui-même, pas le temps de réponse du filament de la lampe.

À toutes fins utiles, l'effet de l'action du commutateur est instantané à l'emplacement de la lampe. Bien que les porteurs de charge électrique se déplacent très lentement dans les fils, l'effet global des porteurs de charge électrique se poussant les uns contre les autres se produit à la vitesse de la lumière (environ 186 000 miles par seconde !).

Que se passerait-il, cependant, si les fils transportant l'électricité jusqu'à la lampe faisaient 186 000 milles de long ? Comme nous savons qu'un signal électrique a une vitesse finie (bien que très rapide), un ensemble de fils très longs devrait introduire un retard dans le circuit, retardant l'action de l'interrupteur sur la lampe :(Figure ci-dessous)

À la vitesse de la lumière, la lampe répond après 1 seconde.

En supposant qu'il n'y ait pas de temps de préchauffage pour le filament de la lampe et qu'il n'y ait pas de résistance le long des 372 000 milles de longueur des deux fils, la lampe s'allumerait environ une seconde après la fermeture de l'interrupteur.

Bien que la construction et l'exploitation de fils supraconducteurs de 372 000 miles de long poseraient d'énormes problèmes pratiques, cela est théoriquement possible, et donc cette « expérience de pensée » est valide. Lorsque l'interrupteur est à nouveau ouvert, la lampe continue à être alimentée pendant une seconde après l'ouverture de l'interrupteur, puis elle se désactive.

Une façon d'envisager cela est d'imaginer les porteurs de charge électrique dans un conducteur comme des wagons dans un train :liés ensemble avec une petite quantité de « jeu » ou de « jeu » dans les couplages. Lorsqu'un wagon (un porteur de charge électrique) commence à se déplacer, il pousse celui qui le précède et tire sur celui qui le suit, mais pas avant que le mou ne soit relâché des accouplements.

Ainsi, le mouvement est transféré d'une voiture à l'autre (d'un porteur de charge électrique à un autre) à une vitesse maximale limitée par le mou de couplage, ce qui entraîne un transfert de mouvement beaucoup plus rapide de l'extrémité gauche du train (circuit) à l'extrémité droite que la vitesse réelle des voitures (porteurs de charge électrique) :(Figure ci-dessous)

Le mouvement est transmis successivement d'une voiture à l'autre.

Une autre analogie, peut-être plus appropriée pour le sujet des lignes de transmission, est celle des vagues dans l'eau. Supposons qu'un objet plat en forme de mur soit soudainement déplacé horizontalement le long de la surface de l'eau, de manière à produire une vague devant lui.

La vague se déplacera lorsque les molécules d'eau se heurteront, transférant le mouvement des vagues le long de la surface de l'eau beaucoup plus rapidement que les molécules d'eau elles-mêmes ne se déplacent réellement :(Figure ci-dessous)

Mouvement des vagues dans l'eau.

De même, le « couplage » du mouvement des porteurs de charge électrique se déplace approximativement à la vitesse de la lumière, bien que les porteurs de charge électrique eux-mêmes ne se déplacent pas aussi rapidement. Dans un très long circuit, cette vitesse de « couplage » deviendrait perceptible par un observateur humain sous la forme d'un court délai entre l'action de l'interrupteur et l'action de la lampe.

AVIS :

• Dans un circuit électrique, le « couplage » du mouvement des porteurs de charge électrique se déplace approximativement à la vitesse de la lumière, bien que les porteurs de charge électrique à l'intérieur des conducteurs ne se déplacent pas près de cette vitesse.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Feuille de travail de l'impédance caractéristique