Niveau maths sup

Court-circuit

Posté par
tousekompren 24-10-22 à 16:11

Bonjour,
Je me permets de vous écrire suite à une interrogation que je me pose depuis quelques semaines en physique sans y trouver de réponse (et poutant, j'ai vraiment pas mal cherché 🤯) donc, si le coeur vous en dit, merci par avance pour votre retour. 🙏
Mon intérêt s'est porté sur la circulation de l'électricité au niveau microscopique dans un circuit basique comprenant une pile, un fil joignant ses bornes avec deux simples ampoules.
Ce que j'ai compris :
- La différence de potentiel de la pile induit un champ électrique dans le fil qui exerce une force sur chacun des électrons potentiellement libres.
- Cette force fait alors circuler les électrons dont le mouvement est à l'origine de l'intensité (I = ∆Q/∆t).
- Le courant créé parcourt les deux ampoules en les allumant. Jusque-là, tout est OK. 🤓

Maintenant, quand on court-circuite la première ampoule, le courant passe par le fil nu qui relie les deux bornes et permet une brillance accrue de la seconde ampoule... tout est encore OK ici.

Ce que je ne comprends pas : désormais, si aucun courant ne passe dans la première ampoule, cela signifie que le champ électrique à l'origine de l'intensité n'y passe pas non plus sinon les électrons seraient en mouvement dans cette portion de circuit et du courant passerait ?
Alors je me demandais pourquoi ce champ ne passait pas (si c'est bien ça la source du problème... ou de la question 🙄).

Ce que j'ai pu trouver comme info se résume toujours à "les électrons prennent toujours le chemin où ils ont le moins d'efforts à fournir"... pas vraiment convainquant au niveau explication physique. 😞
J'étais parti sur l'idée que l'énergie potentielle électrique des électrons diminue au passage d'un récepteur passif mais ça ne m'explique pas comment "ils peuvent deviner" que ce chemin n'est pas valide en s'appuyant sur le fait que les potentiels entrée/sortie sont identiques ???
J'en suis donc arrivé à la conclusion que seul le champ électrique était "responsable" de cette absence de courant sans pour autant comprendre "pourquoi et comment" ? 🤔

Par avance, merci pour votre retour si vous avez un peu de temps pour m'expliquer ce phénomène basique (court-circuit = niveau collège 5ème) que je n'arrive vraiment pas à comprendre au niveau microscopique.🙏

Posté par re : Court-circuit 24-10-22 à 16:59

Bonjour

Je crois que tu te compliques beaucoup la vie alors qu'un simple raisonnement sur les ordres de grandeurs permet d'expliquer pas mal de choses. Imagine une pile alimentant en parallèle deux conducteurs de résistances R1 et R2. En notant I l'intensité débitée par la pile, les intensités des courants traversant les deux conducteurs sont respectivement :

$I_{1}=\dfrac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}\cdot I\quad;\quad I_{2}=\dfrac{R_{1}}{R_{1}+R_{2}}\cdot I$

Imagine que le conducteur 1 soit une ampoule de résistance de l'ordre de 10 et imagine que le conducteur 2 soit ce que l'on appelle usuellement un « court-circuit ». Il s'agit en réalité d'un conducteur de faible résistance, de l'ordre de 10^-3 en général. Le courant circulant dans l'ampoule existe toujours mais il est de trop faible intensité pour que l'ampoule éclaire. Son intensité est environ 10⁴ fois plus faible que celle traversant le court-circuit. Bien sûr, dans la pratique, on peut décider de négliger ce courant mais il existe tout de même !

Posté par re : Court-circuit 24-10-22 à 19:53

Bonjour

tousekompren, merci de renseigner ton profil

extrait de la FAQ du forum :

Q12 - Dois-je forcément indiquer mon niveau lorsque je poste un nouveau topic ?

Posté par re : Court-circuit 25-10-22 à 09:11

Merci VANOISE 🙏 pour votre réponse que je comprends parfaitement mais qui ne fait pas avancer mon questionnement initial qui cherche à saisir réellement l'aspect physique du phénomène.🤓
Si mes données en entrée ne sont pas suffisamment explicites, merci de m'indiquer ce qui pose problème pour que je sois plus clair, SVP (hé oui, je me complique beaucoup la vie parfois mais mon esprit fonctionne de cette façon 😉).
(pour info MMALOU, j'ai indiqué mon niveau scolaire 👍 dans le profil)

Posté par re : Court-circuit 25-10-22 à 18:06

Citation :
Ce que je ne comprends pas : désormais, si aucun courant ne passe dans la première ampoule, cela signifie que le champ électrique à l'origine de l'intensité n'y passe pas non plus sinon les électrons seraient en mouvement dans cette portion de circuit et du courant passerait ?
Alors je me demandais pourquoi ce champ ne passait pas

Je pense avoir en bonne partie répondu mais il y a toujours moyen de mieux faire...

A mon avis tes difficultés viennent essentiellement de la phrase que tu as écrite dans ton premier message et que je reproduis en bleu. Tu considères que l'ampoule, une fois court-circuitée, n'est parcourue par aucun courant. Cela est faux ; je l'ai montré dans mon premier message, l'ampoule court-circuitée est toujours parcourue par un courant mais celui-ci est d'intensité trop faible pour que l'ampoule éclaire. L'existence d'une tension entre les deux bornes communes à l'ampoule et au court-circuit fait qu'un champ électrique existe à la fois dans les deux dipôles d'où existence d'un courant dans chaque dipôle. Les électrons mobiles circulant dans la pile se répartissent dans l'ampoule et dans le court-circuit. Dans quelle proportion ? Après un régime transitoire hyper court, ils se répartissent de façon à créer une tension commune à leurs bornes. Tu peux vérifier que les formules que je t'ai déjà fournies vérifient :
R₁.I₁=R₂.I₂ .

Posté par re : Court-circuit 27-10-22 à 10:53

Merci beaucoup pour votre réponse VANOISE. 🙏
Maintenant, à sa lecture, je dois bien vous avouer que je suis complètement perdu.
L'explication calculatoire avec les équations est parfaite vu que c'est exactement comme ça qu'on nous l'explique en cours et je l'entends mais je n'y suis pas du tout avec une vision du mouvement des électrons expliqué avec un champ électrique, des énergies potentielles ainsi que des différences de potentiel. 😓

L'analogie avec les deux résistances R1 et R2 est claire avec les équations.
Cependant, si un courant même faible passe dans une résistance, les électrons présents devraient diminuer leur énergie potentielle sous forme thermique pour voir un potentiel diminué en sortie qui est pourtant identique à celui en entrée, non ? (je me doute qu'il doit certainement s'agir d'ordre de grandeur😳)
Cependant, j'avoue qu'on m'a toujours dit et j'ai toujours lu que le courant était nul et pas négligeable (à moins que je n'ai pas bien écouté 🙄).

Je suis désolé mais j'ai vraiment du mal à percevoir ce mode de fonctionnement au niveau purement électronique qui ne me pose absolument aucun problème au niveau des équations que je maîtrise. 😉

Posté par re : Court-circuit 27-10-22 à 12:31

Citation :
potentiel diminué en sortie qui est pourtant identique

Donc selon toi, la tension aux bornes d'un court-circuit est nulle ? Avec cette idée là en tête, tu n'as évidemment pas compris mon message précédent, lorsque j'y explique que les électrons de conduction se répartissent entre l'ampoule et le court-circuit de façon que la tension soit commune au court-circuit et à l'ampoule.
Considérer la tension nulle aux bornes du court-circuit, c'est un peu comme considérer nulle la tension aux bornes d'un fil de connexion du circuit. C'est une approximation que l'on fait fréquemment dans la mesure où ces tensions sont très faibles devant les autres tensions du circuit mais considérer ces tensions comme rigoureusement nulles nuit à la compréhension des phénomènes.
Je reprends l'exemple d'une ampoule de résistance 10

(conducteur 1)court-circuitée par un conducteur 2 de résistance 10^-3

, le courant principal débité par la pile ayant l'intensité I=0,5A.
L'intensité du courant traversant le court-circuit vaut :

$I_{1}=\dfrac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}\cdot I=\dfrac{10^{-3}.0,5}{10+10^{-3}}=4,9995.10^{-5}A\quad;\quad I_{2}=\dfrac{R_{1}}{R_{1}+R_{2}}\cdot I=\dfrac{10.0,5}{10+10^{-3}}=4,9995.10^{-1}A$

On constate bien : I₂

I et I₁ très proche de zéro mais, pour la compréhension du phénomène, il faut bien voir que I₁ n'est pas rigoureusement nul.

Concernant la tension aux bornes du court-circuit. Elle vaut la tension commune aux bornes des deux dipôles :

$U=R_{1}.I_{1}=R_{2}.I_{2}=\dfrac{R_{1}.R_{2}}{R_{1}+R_{2}}\cdot I=\dfrac{10^{-3}.10.0,5}{10+10^{-3}}=4,9995.10^{-4}V$

C'est une tension très faible mais pas nulle.

Posté par re : Court-circuit 27-10-22 à 12:54

"Considérer la tension nulle aux bornes du court-circuit, c'est un peu comme considérer nulle la tension aux bornes d'un fil de connexion du circuit" ⟹ c'est exactement ça que j'ai toujours compris. 😵‍💫
Votre exemple/explication m'éclaire nettement dans ma compréhension électronique du court-circuit. 👍
Merci beaucoup pour le temps consacré. 🙏

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