Comment le courant alternatif peut-il alimenter quoi que ce soit?

Je comprends la différence entre AC et DC. Ce que je ne comprends pas, c'est comment le courant alternatif alimente-t-il quoi que ce soit lorsqu'il réutilise les mêmes électrons encore et encore lorsqu'ils se déplacent d'avant en arrière?

Une image visuelle est ce lien à 0:35 .

Ne nécessiterait-il pas de nouveaux électrons? Finalement?

@La réponse du Photon est assez complète, il ne manque que la façon dont l'énergie électrique est maintenant réellement transférée. Dans un cas simple où vous avez juste une sorte de charge ohmique, c'est exactement la même chose que pour DC, juste avec des polarités de commutation.

Si vous voulez une photo, imaginez une scie: elle est tirée à travers le même bloc de bois, d'avant en arrière. Les mêmes dents de scie lui permettent de retirer couche par couche, car une force (et une puissance) est appliquée lors du déplacement dans les deux sens.

Pour les électrons, c'est assez similaire. Une tension alternative continue de les pousser à travers une certaine charge. En passant à travers la charge, ils se déplacent d'un nœud haute tension avant la charge à un nœud basse tension après la charge, dégageant la différence d'énergie entre le premier et le deuxième état.

Ensuite, la polarité AC est inversée et à nouveau, ils sont sur un nœud haute tension, passant à travers la charge, vers un nœud basse tension. Encore une fois, leur état précédent avait plus d'énergie, donc l'énergie est transférée dans la charge.

L'énergie utilisée dans un circuit électrique n'est pas "contenue" dans les électrons et les électrons ne sont pas utilisés lorsque l'énergie est consommée dans un circuit.

L'énergie dans les circuits peut prendre plusieurs formes:

champs électriques : produits lorsque les porteurs de charge positifs et négatifs sont séparés l'un de l'autre.

champs magnétiques : produits lorsque les porteurs de charge sont en mouvement.

énergie cinétique : normalement non considérée comme faisant partie de l'énergie du circuit électrique, mais elle entre en jeu comme une étape intermédiaire lorsque l'énergie dans le circuit est transformée des formes électriques aux formes magnétiques. Ou, par exemple, lorsqu'un champ électrique accélère un porteur de charge qui abandonne alors son énergie cinétique pour produire des vibrations thermiques dans un matériau résistif pour produire de la chaleur.

rayonnement électromagnétique : produit lorsqu'un champ électrique ou magnétique oscillant crée une oscillation auto-entretenue dans le champ électromagnétique.

Par analogie, considérons un pendule oscillant. L'énergie est constamment transférée entre l'énergie potentielle et l'énergie cinétique dans une masse oscillante. Mais la masse du pendule n'est pas épuisée et elle n'a jamais à être remplacée (du moins, pas à la suite du fonctionnement du pendule).

Edit: Nous pourrions aussi bien sûr parler des photodiodes et des transducteurs et moteurs piézoélectriques et des scintillateurs à rayons gamma et d'autres appareils qui permettent à un circuit de transformer l'énergie en diverses autres formes. J'ignore ces cas particuliers ici et je parle juste de l'énergie qui est impliquée lors de l'analyse des circuits.

J'ai l'impression que vous avez une mauvaise compréhension de la façon dont l'énergie CC est transférée de la source à la charge, ce qui entrave votre capacité à comprendre comment l'énergie CA est transférée.

L'image que beaucoup de gens ont en tête est que la source d'énergie donne en quelque sorte de l'énergie aux électrons. Les électrons coulent ensuite dans un fil transportant cette énergie, puis libèrent en quelque sorte l'énergie lorsque les électrons traversent la charge. Je parierais que votre image mentale de l'électricité est quelque chose comme ça. Et si cela est proche de la façon dont vous voyez l'électricité, la question de savoir comment une source d'énergie CA transfère l'énergie est perplexe. Après tout, les électrons ne circulent pas d'avant en arrière 50 ou 60 fois par seconde depuis l'ampoule de votre cuisine jusqu'à la génératrice de la centrale électrique. Nous savons que les électrons se déplacent beaucoup, beaucoup plus lentement que cela (ils se déplacent de l'ordre du mètre par heure, en fonction d'un certain nombre de facteurs comme le courant, la taille du conducteur, etc.). Et étant donné qu'il y a des transformateurs entre la lumière de votre cuisine et le générateur, cela a encore moins de sens, car ce sont 2 circuits électriques différents qui contiennent différents électrons. Les fils ne sont même pas connectés.

Mais ce n'est pas ainsi que cela fonctionne. L'énergie n'est pas transportée de la source à la charge via les électrons. L'énergie ne coule même pas dans les fils. Au lieu de cela, l'énergie électrique se déplace de la source électrique à la charge électrique via un champ électromagnétique (EM) dans l'espace entourant la source, les fils et la charge.

Regardez l'image ci-dessous d'un circuit CC composé d'une batterie, d'un fil et d'une résistance. Les flèches vertes représentent le champ magnétique qui se produit en raison du flux de courant. Les flèches rouges représentent le champ électrique dû à la source de tension. Les flèches bleues représentent la densité de flux d'énergie, ou le vecteur Poynting , qui est le produit croisé des champs électriques et magnétiques. Le vecteur Poynting peut être considéré comme le taux de transfert d'énergie par zone.

Remarquez que le flux d'énergie va de la batterie à la résistance. Notez également que l'énergie circule dans la résistance non pas du fil mais à travers l'espace entourant les fils.

Si vous remplacez la source DC par une source AC, vous devriez être en mesure de vous convaincre - en regardant les champs électriques et magnétiques - que le vecteur Poynting pointe toujours de la source à la charge même si le courant change de direction. Parce que le vecteur Poynting est un produit croisé des deux champs, sa direction reste la même même si les champs changent.

Il y a eu quelques questions dans les commentaires sur la validité scientifique de ce que j'ai dit ci-dessus. La façon dont l'énergie électromagnétique circule dans les circuits est connue depuis un certain temps ... depuis au moins la fin des années 1800. Le vecteur Poynting, du nom de John Henry Poynting qui expliqua cette théorie dans un article en 1884, intitulé On the Transfer of Energy in the Electromagnetic Field . Le document est assez lisible et explique assez bien la théorie. Il explique:

Auparavant, un courant était considéré comme quelque chose voyageant le long d'un conducteur, l'attention étant principalement dirigée vers le conducteur, et l'énergie qui apparaissait à n'importe quelle partie du circuit, si elle était considérée, était censée y être acheminée à travers le conducteur par le courant. Mais l'existence de courants induits et d'actions électromagnétiques à distance d'un circuit primaire dont ils puisent leur énergie nous a conduit, sous la direction de Faraday et Maxwell, à considérer le milieu entourant le conducteur comme jouant un rôle très important dans le développement des phénomènes. Si nous croyons en la continuité du mouvement de l'énergie, c'est-à-dire si nous croyons que lorsqu'elle disparaît à un moment donné et réapparaît à un autre, elle doit avoir traversé l'espace intermédiaire,

Il poursuit en disant:

En partant de la théorie de Maxwell, nous sommes naturellement amenés à considérer le problème: comment l'énergie d'un courant électrique passe-t-elle d'un point à un autre - c'est-à-dire par quels chemins et selon quelle loi se déplace-t-il de la partie du circuit où il est d'abord reconnaissable comme électrique et magnétique aux parties où il se transforme en chaleur ou sous d'autres formes?

$4\pi$

Il continue ensuite pour montrer comment l'énergie entre et chauffe un fil:

Il semble alors qu'aucune énergie d'un courant ne circule le long du fil, mais qu'elle provient du milieu non conducteur entourant le fil, que dès son entrée il commence à se transformer en chaleur, la quantité traversant les couches successives du fil décroissant jusqu'au moment où le centre est atteint, où il n'y a pas de force magnétique, et donc pas d'énergie qui passe, tout a été transformé en chaleur. On peut alors dire qu'un courant de conduction se compose de ce flux d'énergie vers l'intérieur avec ses forces magnétiques et électromotrices qui l'accompagnent, et de la transformation de l'énergie en chaleur à l'intérieur du conducteur.

Richard Feynman en parle également dans ses conférences sur la physique . Après une explication de ce phénomène, Feynman déduit comment un condensateur de charge obtient son énergie, puis dit:

Mais cela nous dit une chose particulière: lorsque nous chargeons un condensateur, l'énergie ne descend pas les fils; il entre par les bords de l'écart.

Feynman explique alors, comme Poynting, comment l'énergie pénètre dans un fil:

Comme autre exemple, nous demandons ce qui se passe dans un morceau de fil de résistance lorsqu'il transporte un courant. Étant donné que le fil a une résistance, il y a un champ électrique le long, entraînant le courant. Parce qu'il y a une chute potentielle le long du fil, il y a aussi un champ électrique juste à l'extérieur du fil, parallèle à la surface. Il y a, en plus, un champ magnétique qui fait le tour du fil à cause du courant. Le E et le B sont à angle droit; il existe donc un vecteur Poynting dirigé radialement vers l'intérieur, comme le montre la figure. Il y a un flux d'énergie dans le fil tout autour. Elle est, bien entendu, égale à l'énergie perdue dans le fil sous forme de chaleur. Donc, notre théorie «folle» dit que les électrons obtiennent leur énergie pour générer de la chaleur à cause de l'énergie qui circule dans le fil depuis le champ extérieur. L'intuition semblerait nous dire que les électrons tirent leur énergie du fait qu'ils sont poussés le long du fil, donc l'énergie devrait couler vers le bas (ou vers le haut) le long du fil. Mais la théorie dit que les électrons sont vraiment poussés par un champ électrique, qui est venu de certaines charges très loin, et que les électrons tirent leur énergie pour générer de la chaleur à partir de ces champs. L'énergie s'écoule en quelque sorte des charges distantes dans une large zone d'espace, puis vers le fil. et que les électrons obtiennent leur énergie pour générer de la chaleur à partir de ces champs. L'énergie s'écoule en quelque sorte des charges distantes dans une large zone d'espace, puis vers le fil. et que les électrons obtiennent leur énergie pour générer de la chaleur à partir de ces champs. L'énergie s'écoule en quelque sorte des charges distantes dans une large zone d'espace, puis vers le fil.

Ce que vous devez savoir, c'est que P = IV I, ce sont les électrons qui vont et viennent. Pendant le temps où les électrons reculent, V est toujours négatif, donc le signe de P = (-) * (-) est positif. Ainsi, un travail positif (par exemple le chauffage du filament de tungstène d'une ampoule) se fait pendant le flux de courant vers l'avant et vers l'arrière.

Ignorez les électrons. L'apprentissage de l'électricité par les électrons vous induira en erreur la plupart du temps. D'une part, ils vont dans la mauvaise direction. Deuxièmement, ils voyagent à la mauvaise vitesse. La vitesse de dérive est beaucoup plus lente que la vitesse d'un signal électrique.

La transmission de l'électricité dans un métal ressemble beaucoup plus à un «berceau de Newton» : un électron va à une extrémité, la force est transmise par la répulsion des champs électriques et un électron sort de l'autre extrémité.

(Situations où vous devez vous soucier des électrons: jonctions semi-conductrices, tubes à rayons cathodiques, dispositifs à décharge de gaz, valves thermo-ioniques.)

Je voulais juste déclarer explicitement que l'électricité n'est que de l'énergie qui est utilisée pour déplacer des électrons. Les électrons ne sont jamais fabriqués, ni perdus, ni chargés, ni consommés. Tout le travail effectué avec l'électricité se fait avec le mouvement des électrons.

Pour utiliser l'analogie clichée de la mécanique de l'eau, imaginez un canal d'eau avec une turbine à l'intérieur. Si l'eau ne coule pas, la turbine ne tourne pas et aucun travail n'est en cours. Si l'eau coule en continu (comme en courant continu), la turbine tournera également en continu et le travail est en cours. De même, si l'eau s'écoulait d'avant en arrière (courant alternatif), la turbine tournerait également d'avant en arrière et des travaux sont en cours. À aucun moment, l'état, la qualité ou la quantité de l'eau n'a changé, sauf en ce qui concerne le débit.

Une turbine alternée est tout aussi utile qu'une turbine à rotation continue, mais doit être appliquée différemment. De même, comme pour l'électricité, si les mécanismes corrects sont appliqués, la rotation d'un essieu attaché à une turbine en rotation continue peut être convertie en un essieu oscillant, et vice-versa.

Vous ne vous inquiétez pas des électrons pour les circuits en général; dans de très petits appareils comme sur un IC, éventuellement.

Cela dépend de la profondeur dans laquelle vous voulez aller dans la théorie, mais en général, vous pensez aux électrons qui coulent comme de l'eau dans un tuyau, une fois que l'eau est mise en mouvement, c'est quoi le travail, quelle force met l'eau en mouvement?

Le transformateur est juste 2 bobines de fil proches les unes des autres, il ne fonctionne qu'à cause du courant alternatif, les fils de cuivre réagissent avec le CHANGEMENT de courant, si c'était du CC, il resterait là et aucune alimentation ne passerait. Quand le courant change? C'est alors que l'énergie est transférée à l'intérieur du transformateur d'une bobine à l'autre.

donc si vous mettez DC dans une bobine de fil, cela devient un aimant. Si vous déplacez cet aimant et qu'une autre bobine se trouve à proximité? il reprendra le courant. Ce n'est certainement pas de l'énergie gratuite. L'alternateur d'une voiture fonctionne comme ceci, la partie centrale devient un aimant (la partie qui tourne) et les bobines sont enroulées et placées près de cette armature tournante et captent le courant, généralement 3 bobines. Une façon (dangereuse) de tester si un alternateur fonctionne, est de mettre la clé du moteur en marche, de ne pas la démarrer et de mettre un tournevis magnétique au centre de la poulie d'alternateur, si l'alternateur est allumé? le tournevis sera fortement tiré dans cette poulie. Si non? C'est généralement parce que les brosses sont usées ou que l'alternateur n'est pas bon.

Je pense que les explications sur le fonctionnement de l'alternateur aideront à visualiser le courant alternatif

La force (tension) appliquée dans un circuit provoque un champ électrique qui provoque le déplacement des électrons (particules atomiques chargées) dans une direction spécifique (très rapide, mais sur une très courte distance). Ces électrons affectent les autres électrons voisins en les heurtant (les électrons se repoussent magnétiquement, de sorte que la force appliquée est transférée à travers les atomes conducteurs extrêmement rapidement). Ces autres électrons résistent légèrement à cette bosse et chauffent un peu, mais la majeure partie de l'énergie est transmise en cascade à travers un circuit comme une onde d'énergie qui finit par se diriger vers un appareil pour effectuer un certain travail (par exemple, allumer une ampoule, provoquer un matériau très résistif à chauffer, ou des enroulements dans un moteur pour provoquer une force magnétique pour faire tourner un rotor de moteur, etc.). Les électrons qui entourent les atomes dans un conducteur agissent uniquement comme un moyen pour l'énergie de circuler à travers eux - un peu comme l'eau dans un étang qui réagit à un galet tombé. Vous n'avez pas besoin de plus d'eau pour que la vague d'énergie traverse l'étang - mais une fois que l'énergie est dissipée (ou que le courant électrique s'arrête), le spectacle est terminé - c'est la nature du transfert d'énergie électrique.

C'est le mouvement des électrons qui transfère l'énergie d'une forme à une autre. Les électrons ne s'épuisent pas, ils se déplacent simplement et dans le processus transfèrent de l'énergie d'un point à un autre.