Ce que vous devez comprendre, c'est que les électrons ne bougent pas d'eux-mêmes mais en tant que chaîne ... comme une bande d'enfants de la maternelle liés ensemble.

Considérez le dessin suivant d'une série de balles dans un système de piste.

Il est assez évident que vous pouvez utiliser votre doigt pour pousser la chaîne de balles autour de l'une ou l'autre boucle et elles se déplaceront librement.

Cependant, vous ne pouvez PAS pousser de balles à travers le creux de jonction en bas car il n'y a nulle part où aller pour la balle.

C'est ce qui se passe également dans les fils.Si vous parveniez à forcer un électron dans la bonne boucle, peut-être en utilisant une bobine inductive ou quelque chose du genre, il y aurait une différence de charge générée entre les deux boucles qui forcerait rapidement l'électron à revenir une fois que vous auriez enlevé la force.

Il y a une réponse plus mathématique et précise que celles ci-dessus, et elle s'avère être l'un des concepts les plus intéressants et les plus importants de l'électromagnétisme.

Premièrement, que signifie «courant circule en boucles»? Cela signifie simplement que la charge (positive ou négative) ne s'accumule pas au même endroit. Autrement dit, le courant net circulant dans un emplacement est égal au courant net sortant. Nous pouvons mettre cela en termes mathématiquement précis: \ $ \ nabla \ cdot \ vec {\ mathrm {J}} = 0 \ $, où \ $ \ vec {\ mathrm {J}} \ $ est la densité actuelle. Le symbole \ $ \ nabla \ cdot \ $ est appelé la "divergence" et est juste une manière mathématique de représenter le flux net dans ou hors d'une région de l'espace.

Est-il donc vrai que le courant circule toujours en boucle ou ne s'accumule pas en un seul endroit? Sur de longues périodes, c'est vrai, car les charges se repoussent. Si vous recevez trop de charge au même endroit, il devient de plus en plus difficile d'en ajouter. Mais si vous regardez de plus près, nous pouvons générer des déséquilibres de charge temporaires. Plusieurs personnes ont mentionné l'accumulation de charge statique et des effets similaires, mais il existe un exemple dans de nombreux circuits simples: le condensateur.

Considérez le circuit suivant:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Vous pouvez voir directement dans le schéma, la "boucle" est cassée! il n'y a pas de charges ou de courant circulant à travers l'espace dans le condensateur. Comme nous le savons, la charge s'accumule sur les plaques, plutôt que de maintenir un équilibre entre les charges entrant et sortant.

Alors, que se passe-t-il ici? Est-ce que "le flux du courant en boucles" est juste une approximation, ou pouvons-nous le corriger d'une manière ou d'une autre? Après tout, si vous traitez le condensateur comme une boîte noire et ne regardez pas à l'intérieur, notre règle est toujours valable: il y a des charges égales sur les deux plaques du condensateur, donc le réseau est toujours nul. Et nous savons que quelque chose de génial se passe dans le condensateur pendant qu'il se recharge: il crée une tension.

C'était en fait un sujet de préoccupation important au XIXe siècle. La loi d'Ampère a été écrite à l'origine: \ $ \ nabla \ times \ vec {B} = \ mu_0 \ vec {J} \ $. Cette formule de calcul a également une belle explication intuitive - elle dit que le champ magnétique autour d'une boucle est proportionnel au courant circulant dans la boucle. \ $ \ nabla \ times \ vec {B} \ $ s'appelle la "boucle de \ $ \ vec {B} \ $, et est une quantification du" curling "du champ magnétique autour d'une source de courant. calcul, vous pouvez montrer que "la divergence d'une boucle est nulle." Cela signifie que cette équation implique \ $ \ nabla \ cdot \ vec {J} = 0 \ $. C'est bien, mais ne fonctionne pas dans notre exemple de condensateur: Et si nous plaçons notre boucle autour de l'espace entre les condensateurs? Nous avons toujours un champ magnétique, mais il n'y a pas de courant.

La solution à cela est d'ajouter un deuxième type de courant, appelé "courant de déplacement". La forme correcte s'avère être \ $ \ epsilon_0 \ frac {\ partial \ vec {E}} {\ partial {t}} \ $. Autrement dit, le taux de changement du champ électrique.

On ajoute donc ce courant de déplacement au courant. Si vous regardez la forme de la loi d'Ampère qui est dans les équations de Maxwell, vous voyez:

$$ \ nabla \ times \ vec {B} = \ mu_0 \ left (\ vec {J} + \ epsilon_0 \ frac {\ partial {\ vec {E}}} {\ partial {t}} \ right) $$

Cela signifie que 1) soit le mouvement de charge soit le changement de champ électrique peut provoquer des champs magnétiques les encerclant, et (parce que \ $ \ nabla \ cdot \ nabla \ times \ vec {B} = 0 \ $), le courant de charge total plus le courant de déplacement a une divergence nulle, ce qui signifie qu'il ne circule que dans des boucles.

Ce terme de courant de déplacement est en fait très important, pas seulement pour la symétrie mathématique, mais parce que c'est ce qui permet les ondes électromagnétiques, la lumière AKA et les ondes radio. Il permet l'auto-propagation des champs électriques et magnétiques loin de toute charge gratuite ou de tout matériau magnétique.

OK, alors qu'est-ce que cela signifie pour nos idées intuitives sur le courant circulant dans les boucles?Si vous ne considérez que le courant de mouvement de charge, il s'agit d'une approximation qui n'est vraie que lorsque le champ électrique ne change pas dans le temps.Plus important encore, cela est vrai à l'intérieur des conducteurs, où le champ électrique est toujours (presque) nul.Ainsi, dans les fils qui composent les circuits électriques, le courant ne circule que dans des boucles.Cependant, la charge peut s'accumuler sur les surfaces des conducteurs (comme une plaque de condensateur) ou dans les isolateurs ou l'espace libre.Dans ce cas, la version simple de "courant circule en boucles" n'est plus vraie sauf en régime permanent, mais nous pouvons trouver une quantité connexe qui obéit universellement à cette règle.

Les forces électriques entre les particules chargées sont extrêmement fortes (*), mais dans la plupart des cas, elles sont largement annulées par le fait que les charges positives et négatives ont tendance à être à peu près égales. Si la vitesse à laquelle les électrons pénétraient dans un objet dépassait le nombre sortant, alors que les protons restaient essentiellement immobiles, l'objet accumulerait rapidement une charge qui essaierait de pousser les électrons et d'empêcher plus d'entrer. Bien qu'il soit possible pour les objets d'accumuler une certaine charge statique, il ne faut généralement pas beaucoup de courant pour accumuler très rapidement une tension énorme. Pour la plupart des raisons pratiques, la durée pendant laquelle un courant non trivial pourrait circuler dans un appareil sans un flux d'équilibrage hors de l'appareil, avant qu'une charge suffisante ne se soit accumulée pour empêcher plus de courant de circuler, serait essentiellement nulle.

(*) La trajectoire d'une goutte d'huile qui tombe peut être affectée de manière mesurable par le déséquilibre de charge d'un électron unique , même si la masse de l'électron est de plusieurs ordres de grandeur inférieure à la masse de la gouttelette.

Le courant n'a pas besoin de circuler en boucle, si quelque chose perd de la charge (comme une plaque d'électrons chaude dans l'espace), la charge part et ne revient jamais car les électrons s'évaporent.Le courant est défini par la loi de l'ampère, vous pourriez imaginer dessiner une surface autour de la plaque et la plaque deviendrait plus négative.Je pourrais imaginer d'autres choses qui ont des courants qui ne reviennent pas à la source, comme le plasma du soleil.

Cependant, si vous parlez de courant provenant d'un conducteur, la source de tension doit être référencée à partir de quelque part et le courant circule toujours vers une tension inférieure, donc si vous voulez créer plus de courant, vous avez besoin d'une référence.

Vous pouvez y penser comme ceci: Les sources de tension sont comme des pompes, le courant est comme l'eau, il coulera toujours en descente.Le sol 0V est comme un lac (ou l'océan) où toute l'eau s'écoule.Pour faire couler l'eau, vous devez la pomper de quelque part et elle retournera au point le plus bas auquel elle peut arriver.

Pour en revenir à l'analogie du tuyau, vous pouvez certainement avoir un tuyau qui ne coule que dans une seule direction, et l'eau coulera à travers le tuyau jusqu'à ce que tout ce qui reçoit l'eau (disons que c'est un château d'eau) à l'extrémité réceptrice devienne plein.

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De même avec les électrons.Les électrons peuvent circuler dans une direction jusqu'à ce que la "pression" (tension) s'accumule au point où la force opposée au flux correspond à la force favorisant le flux.On peut le faire, par exemple, avec un condensateur, ou avec de l'air ordinaire (dans le cas d'une simple antenne radio).

Mais, en l'absence d'un "circuit complet", tôt ou tard, le condensateur "se remplira" et la tension opposée au flux de courant correspondra à la tension favorisant le flux.

Bcar il n'y a pas de fil.

Dans le modèle standard utilisé dans votre diagramme, l'hypothèse est que les fils entre les composants ont une résistance nulle. \ $ V = IR \ $, ce qui signifie que si la résistance est nulle, le potentiel de tension l'est aussi, à moins que le courant ne soit en quelque sorte infini. Étant donné le potentiel nul, la limite du courant lorsque la résistance passe à zéro est zéro:

$$ I = \ lim_ {R \ rightarrow 0 \ Omega} {\ frac {0 V} {R}} = 0 A $$

Cela signifie que dans ce modèle standard, il n'y a aucun courant circulant n'importe où le long du fil inférieur, y compris entre le bas de l'inducteur et la borne négative de la source de tension.

Dans la réalité physique, la seule façon de faire un circuit où chaque point le long du fil inférieur de votre diagramme est exactement au même potentiel (ici étiqueté 0 V) ​​est si les bornes de chacun des composants sont exactement les mêmes point physique dans l'espace.

Parce que le négatif de la source de tension, le positif de la source de courant, le bas de l'inducteur et le haut de la résistance verte sont tous la même chose, le courant ne peut pas circuler entre eux; le courant n'a nulle part où aller.

Lois de tension et de courant d'Kirchhoff (KVL / KCL)

Nous avons encore besoin de la tension totale à ajouter à zéro sur la boucle, et du courant total à chaque nœud à ajouter à zéro, conformément à KVL et KCL, respectivement.

KVL est simple: il n'y a aucun potentiel sur le fil inférieur, donc il suffit d'ajouter zéro sur la boucle, et les autres composants doivent s'ajouter à zéro. Cela a du sens à la fois sur le diagramme standard et sur le diagramme que j'ai dessiné là où il n'y a tout simplement pas de fil.

KCL est un peu bizarre: puisque tout le fil inférieur est mathématiquement le même point, il n'a pas vraiment besoin de courant qui le traverse. Mais nous l'avons tracé comme une ligne. Le 10 A qui sort de l'inductance doit aller quelque part , et il n'est pas intuitivement évident qu'il passe directement par la source de tension. Donc, la chose évidente est de tirer un courant de 10 A sur le fil inférieur entre l'inducteur et la source de tension.

Cela vérifie également avec le monde réel. Normalement, votre fil a un peu de résistance, de sorte que le bas de l'inductance est à un potentiel un peu plus élevé que la borne négative de la source de tension. Cela signifie qu'il y a un petit peu de courant qui traverse le fil, qui devrait être exactement 10 A. Si nous ignorons la deuxième boucle, de toute façon.

Si nous n'ignorons pas la deuxième boucle, les choses sont un peu compliquées. En réalité, il y aura presque toujours un léger potentiel entre l'extrémité positive de la source de courant et l'extrémité négative de la source de tension, et une petite quantité de courant circulera de l'une à l'autre (en fonction de l'extrémité qui est légèrement plus élevée potentiel). Cela signifie également que le courant au bas de la boucle gauche ne sera pas exactement 10 A et que sur la boucle droite ne sera pas exactement 20 A.

Mais comme le fil entre les deux a une si petite résistance, la différence de tension sera également minime et vous ne recevrez qu'une infime quantité de courant. Ainsi, vous pouvez l'approximer comme un courant nul avec un degré de précision élevé pour les circuits de base.

MPlus de circuits complexes

Dans les circuits complexes, en particulier les circuits avec des sources de tension alternative haute fréquence, vous ne pouvez plus traiter les fils comme des éléments de circuits à résistance nulle. Au lieu de cela, vous devez modéliser chaque fil avec des approximations plus complexes, où chaque longueur de fil a certains composants de résistance inductifs, capacitifs et purs.

Parce que les potentiels de tension changent constamment, le courant change également.En fonction du degré de synchronisation des deux boucles, le courant à travers votre fil à potentiel nul pourrait non seulement exister, mais alterner entre de droite à gauche et de gauche à droite en fonction du côté qui est le plus potentiel pour le moment.

Des calculs encore plus complexes impliquent la vitesse du courant sur la ligne.Comme les électrons se déplacent à des vitesses finies, le courant à une extrémité d'un fil peut ne pas correspondre au potentiel actuellement à l'autre extrémité du fil.À ce niveau de détail, vous pouvez en fait voir le courant circuler de gauche à droite dans une partie du fil et de droite à gauche dans une autre partie du fil, en même temps.

Les métaux sont de bons conducteurs de chaleur, car le courant circule de manière aléatoire dans tous directions dans un métal (et la chaleur se déplace avec les électrons porteurs de charge). Mais faire un courant mesurable dans UNE direction, ce serait créer une charge positive nette sur le `` donneur d'électrons '' et ce positif charge va FORTEMENT ATTIRER le prochain électron qui essaie de partir.

Parce qu'il y a un fil, la forte attraction garantit que le courant le fil s'arrêterait et s'inverserait jusqu'à ce que le 'donateur' soit à nouveau à ou proche de la neutralité électrique.Cette attraction est ce qui cause la foudre, au fait: vous pouvez faire le transfert de charge pour un temps significatif si votre couche isolante est épaisse (un mile d'air, par exemple), mais cela finira par se corriger.

Les circuits électriques sont destinés à ne pas faire de coups de foudre, utilisent connexions de fils pour réduire l'accumulation de charge, et c'est un hypothèse (et précise) dans les circuits qu'aucune accumulation significative ne se produit.

Regardons le problème différemment:

Nous, do, avons un exemple de courant qui circule qui n'est pas en boucle - tout le monde en a fait l'expérience.Électricité statique.

Notez que dans la forme que vous rencontrez normalement, les conducteurs sont énormes (votre corps au lieu d'un simple fil), les tensions sont élevées (des milliers de volts) et pourtant il n'y a qu'un très petit courant pendant une très courte période de tempsavant que l'énergie ne soit égalisée.

Si vous n'aviez pas déjà commencé avec une différence élevée, vous finiriez par créer une telle différence très rapidement - et le courant ne monte pas.

Toutes ces bonnes réponses ... En fait, le courant circule un peu sur cette ligne.Puis le potentiel s'accumule instantanément et repousse le courant.L'ensemble du phénomène est très petit et proportionnel à la température.Pour le sentir, vous pouvez remplacer le fil par une résistance et mesurer le bruit.

Parce qu'un seul fil ne fait rien d'autre qu'introduire un biais .

Demandez à un monteur de lignes de brancher un thermomètre Bluetooth sur la ligne haute tension sur laquelle il travaille et de relier la terre de l'appareil au fil de contact.Voyez si vous pouvez toujours vous y connecter.Oui, c'est heureux comme une palourde, complètement inconscient du fait qu'il a un «biais» de 24 000 volts par rapport à la planète.

Comme il ne peut pas connaître le biais, il ne peut pas non plus y faire quoi que ce soit d'utile.

Il y aura une infime quantité de courant pendant cette polarisation, ceci est analogue à l'électricité statique.Sur les circuits CA, il se reproduit à chaque inversion de tension (par exemple 120 ou 100 fois par seconde).Il serait peut-être possible de mettre des instruments sensibles sur le fil unique et d'essayer de le détecter.Mais ce serait plutôt utiliser le lien comme instrument de test.Le circuit indépendant aurait toujours besoin de sa propre alimentation.

CAPACITANCE

Juste pour mettre quelque chose de légèrement différent de ceux ci-dessus, mais similaire à Loren.

Sans boucle, vous avez un condensateur.La différence de tension déplaçait les charges de chaque côté du conducteur jusqu'à ce que soit: la répulsion mutuelle des charges repousse toute charge supplémentaire de s'accumuler, soit les charges accumulées se déchargent vers un endroit avec un potentiel plus faible, égalisant les charges.

Tout dans notre monde est une question d'équilibre. Des forces de toutes sortes peuvent créer un déséquilibre et initieront une sorte de flux qui cherche à atteindre un équilibre où tout est équilibré. Le circuit illustré comporte 2 boucles, chacune avec sa propre source d'alimentation. Imaginez plutôt qu'il s'agissait de pompes d'aquarium qui pompaient de l'eau dans chaque boucle et que les fils étaient des tuyaux en plastique avec de l'eau qui coule. Si vous connectez un tuyau en plastique entre les 2 boucles, vous ne vous attendez pas à ce que de l'eau coule à travers ce tuyau de raccordement. En plus d'être contre-intuitif, aucune eau ne coulerait car il n'y a pas de différence de pression entre les 2 boucles - elles sont indépendantes l'une de l'autre et ne sont connectées qu'en un point, essentiellement mises à la terre. Chaque fois qu'il y a du flux, il doit y avoir un "entre" et un "sort de". Un conduit de climatiseur entrant dans une pièce ne ferait pas grand-chose sans un évent de retour ou la capacité de l'air de circuler à travers la porte de la pièce. L'eau ne peut pas laisser une bouteille renversée à moins que des bulles d'air ne soient autorisées à entrer pour remplacer l'eau qui s'échappe. Donc, l'eau, l'air, les électrons, tout ce qui s'écoule nécessite une sortie et une entrée et une sorte de force pour initier le flux. En électricité, la force ou la pression est mesurée en volts.

C'est simplement dû à la KCL (loi actuelle de kirchoff), c'est-à-dire à la loi de conservation des charges.Les charges ne peuvent être ni créées ni détruites.C'est ce qui se passe ici.Si vous imaginez la boucle comme un point rétréci, il n'y a qu'une seule entrée pour le flux de charges mais pas de sortie.C'est pourquoi le courant ne circule pas dans le fil intermédiaire.Cependant, dans un autre cas, si nous avons une boucle avec entrée et sortie, le courant peut circuler.